JP2018201011A - 半導体装置、および半導体装置の作製方法 - Google Patents

半導体装置、および半導体装置の作製方法 Download PDF

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Abstract

【課題】良好な電気特性および高集積化が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、半導体装置は、トランジスタ、層間膜および配線を有し、トランジスタは、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第１の導電体と、第２の絶縁体の側面および第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、を有し、酸化物は、第２の絶縁体と重なる第１の領域と、第３の絶縁体と重なる第２の領域と、第２の領域に接する第３の領域と、を有し、第３の領域は、第１の領域及び第２の領域よりも酸素濃度が小さく、第２の領域は、第１の領域よりも酸素濃度が小さく、層間膜は、第１の絶縁体上、酸化物の側面、酸化物の上面および第３の絶縁体の側面に接して配置され、配線は、層間膜と接し、且つ第３の領域と電気的に接続され、第３の絶縁体の上面は、層間膜の上面と略一致する半導体装置。【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュールおよび電子機器に関する。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩやＣＰＵやメモリが主に用いられている。ＣＰＵは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路（少なくともトランジスタおよびメモリ）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。
ＬＳＩやＣＰＵやメモリなどの半導体回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する。）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献１参照。）。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタとして、セルフアライン構造のトランジスタが提案されている。当該セルフアライン構造のトランジスタとして、ソース領域及びドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して熱処理を行うことで、金属膜を高抵抗化させるとともに、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されている（特許文献２参照）。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタの作製方法として、ソース領域及びドレイン領域上に金属膜を形成したのち熱処理を行い、その後、当該金属膜を通過してドーパントを導入することで、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されている（特許文献３参照）。
また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。
特開２０１２−２５７１８７号公報 特開２０１１−２２８６２２号公報 特開２０１３−０１６７８２号公報
特許文献２においては、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる際に、ソース領域およびドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して酸素雰囲気下で熱処理を行っている。熱処理を行うことで、酸化物半導体膜のソース領域およびドレイン領域中には金属膜の構成元素がドーパントとして入り込んで、低抵抗化させている。また、酸素雰囲気下で熱処理を行うことで、導電膜を酸化させ、当該導電膜を高抵抗化させている。ただし、酸素雰囲気下で熱処理を行っているため、酸化物半導体膜中から金属膜が酸素を引き抜く作用が低い。
また、特許文献２においては、チャネル形成領域の酸素濃度については記載されているが、水、水素などの不純物の濃度については、言及されていない。すなわち、チャネル形成領域の高純度化（水、水素などの不純物の低減化、代表的には脱水・脱水素化）が行われていないため、ノーマリーオンのトランジスタ特性となりやすいといった問題があった。なお、ノーマリーオンのトランジスタ特性とは、ゲートに電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れてしまう状態のことである。一方でノーマリ−オフのトランジスタ特性とは、ゲートに電圧を印加しない状態では、トランジスタに電流が流れない状態である。
上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、トランジスタのソース領域およびドレイン領域を安定して低抵抗化させるとともに、チャネル形成領域を高純度化させることで良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。
または、本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。
本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、半導体装置は、トランジスタ、層間膜および配線を有し、トランジスタは、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第１の導電体と、第２の絶縁体の側面および第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、を有し、酸化物は、第２の絶縁体と重なる第１の領域と、第３の絶縁体と重なる第２の領域と、第２の領域に接する第３の領域と、を有し、第３の領域は、第１の領域及び第２の領域よりも酸素濃度が小さく、第２の領域は、第１の領域よりも酸素濃度が小さく、層間膜は、第１の絶縁体上、酸化物の側面、酸化物の上面および第３の絶縁体の側面に接して配置され、配線は、層間膜と接し、且つ第３の領域と電気的に接続され、第３の絶縁体の上面は、層間膜の上面と略一致する、半導体装置である。
また、本発明の一態様は、チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、半導体装置は、トランジスタ、層間膜および配線を有し、トランジスタは、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶縁体および第１の膜と、第２の絶縁体上の第１の導電体と、第２の絶縁体の側面および第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、を有し、酸化物は、第２の絶縁体と重なる第１の領域と、第３の絶縁体と重なる第２の領域と、第２の領域に接する第３の領域と、を有し、第３の領域は、第１の領域及び第２の領域よりも酸素濃度が小さく、第２の領域は、第１の領域よりも酸素濃度が小さく、層間膜は、第１の絶縁体上、酸化物の側面、酸化物の上面および第３の絶縁体の側面に接して配置され、配線は、層間膜と接し、且つ第３の領域と電気的に接続され、第３の絶縁体の上面は、層間膜の上面と略一致する、半導体装置である。
また、上記において、酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む、ことが好ましい。
また、上記において、酸化物は、原子数比において、元素ＭよりもＩｎの方が多いことが好ましい。
また、上記において、第３の領域は、第２の領域より、キャリア密度が大きく、第２の領域は、第１の領域より、キャリア密度が大きい、ことが好ましい。
また、上記において、第３の領域は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、ことが好ましい。
また、上記において、第３の領域は、さらに窒素を有する、ことが好ましい。
また、上記において、第１の領域は、第２の領域よりも水素濃度が低い、ことが好ましい。
また、上記において、第１の領域は、第２の領域及び第３の領域よりも水素濃度が低い、ことが好ましい。
また、上記において、第３の絶縁体は、金属酸化物を含む、ことが好ましい。
また、上記において、トランジスタは、ノーマリオフ型である、ことが好ましい。
また、上記において、第１の膜は、第３の領域と混合する部分を有する、ことが好ましい。
また、上記において、第１の膜は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、ことが好ましい。
また、上記において、第１の膜は、アルミニウム及びチタンを有する、ことが好ましい。
上記において、第１の膜は、さらに窒素及び酸素のいずれか一方または双方を有してもよい。
また、上記において、第１の膜は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ未満である、ことが好ましい。
また、本発明の一態様は、基板上に第１の絶縁体を形成し、第１の絶縁体の上に、酸化物層を形成し、酸化物層の上に、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜を順に成膜し、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜を加工して、第２の絶縁体、ダミーゲート層を形成し、第１の絶縁体、酸化物層、第２の絶縁体およびダミーゲート層を覆って、第２の絶縁膜を成膜し、第２の絶縁膜を加工することで、第２の絶縁体、犠牲層に接する、第３の絶縁体を形成し、第１の絶縁体、酸化物層、ダミーゲート層および第３の絶縁体に接する、金属を含む第１の膜を形成し、窒素を含む雰囲気で加熱処理を行い、第１の膜を除去し、第１の絶縁体、酸化物層、ダミーゲート層および第３の絶縁体上に第３の絶縁膜を成膜し、第１のＣＭＰ処理を行うことによって、ダミーゲート層、第３の絶縁体および第３の絶縁膜の一部を、ダミーゲート層の一部が露出するまで除去し、ダミーゲート層をエッチングすることによって、第２の絶縁体を露出させ、第２の絶縁体を介して酸化物に酸素を注入し、導電体膜を成膜し、第２のＣＭＰ処理を行うことによって、導電体膜の一部を、第３の絶縁膜が露出するまで除去して、第１の導電体層および第４の絶縁体を形成し、第４の絶縁体に開口を形成し、開口を埋めるように第２の導電体を形成する、半導体装置の作製方法である。
また、上記において、第１の膜は、アルゴン、窒素、及び酸素の中から選ばれるいずれか一または複数のガスを用いて、スパッタリング法により形成される、ことが好ましい。
また、上記において、加熱処理を行うことで、酸化物層の酸化物層と、第１の膜と、が接する領域において、領域に含まれる酸素が第１の膜に引き抜かれる、ことが好ましい。
また、上記において、加熱処理の後に、少なくとも酸化物、第１の絶縁体および第３の絶縁体を覆う第２の膜を形成してもよい。
また、上記において、開口は、第４の絶縁体の一部、酸化物層の上面、および酸化物層の側面の少なくとも一部が露出するように形成してもよい。
また、上記において、第２の絶縁膜の加工は、ドライエッチング法を用いて異方性エッチングを行ってもよい。
本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面、および断面図。 酸化物半導体のエネルギーバンド構造を説明する図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の回路図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の回路図および断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の回路図および断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 インバータ回路の構成例を示す回路図と、その動作例を示すタイミングチャート。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図、および回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図、回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示す回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。 本発明の一態様に係るＡＩシステムの構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係るＡＩシステムの応用例を説明するブロック図。 本発明の一態様に係るＡＩシステムを組み込んだＩＣの構成例を示す斜視模式図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 本実施例のサンプルのシート抵抗を説明する図。 本実施例のサンプルのＳＩＭＳ分析結果を説明する図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために省略して示すことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
また、特に上面図（「平面図」ともいう。）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
また、本明細書などにおいて、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネルが形成される領域を有しており、チャネルが形成される領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネルが形成される領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルが形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
チャネル幅とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向のチャネルが形成される領域の長さを言う。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルが形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルが形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは酸素が５５原子％以上６５原子％以下、窒素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは窒素が５５原子％以上６５原子％以下、酸素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、ｎチャネル型のトランジスタとする。よって、そのしきい値電圧（「Ｖｔｈ」ともいう。）は、明示されている場合を除き、０Ｖよりも大きいものとする。
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ ＦＥＴと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電圧を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりの電流が、室温において１×１０−２０Ａ以下、８５℃において１×１０−１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０−１６Ａ以下であることをいう。
（実施の形態１）
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
＜半導体装置の構成例１＞
図１は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の上面図および断面図である。
図１（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３、およびプラグとして機能する導電体２４０とを有する。
なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２の上面の高さは同程度にできる。なお導電体２０３は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０３を２層以上の多層膜構造としてもよい。また、構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
また、導電体２４０は、絶縁体２７３、絶縁体２８０絶縁体２８２および絶縁体２８３の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８３の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２４０が単層である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０は、２層以上の積層構造でもよい。また、導電体２６０の上面の高さと、絶縁体２８０の上面の高さは、略一致して配置される。
［トランジスタ２００］
図１に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示せず。）の上に配置された絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、少なくとも酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に接して配置された絶縁体２７２と、絶縁体２２２上、酸化物２３０の側面の一部、酸化物２３０の上面の一部および絶縁体２７２の側面に接する絶縁体２７３と、を有する。導電体２６０は、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを有し、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように導電体２６０ａが配置される。ここで、図１（Ｂ）に示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２７２の上面および絶縁体２７３の上面と略一致して配置される。
なお、トランジスタ２００では、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂの単層、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ａの２層構造、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの２層構造、または４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ２００では、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。
また、トランジスタ２００は、チャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう。）を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。
チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ２００は、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ２００に用いることができる。
例えば、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素を添加することで、金属化合物となり、低抵抗化する場合がある。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、酸化物半導体の当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。
また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜から金属元素が酸化物半導体へ拡散し、酸化物半導体に金属元素を添加することができる。
また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する傾向がある。
また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。
従って、酸化物半導体に選択的に金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物２３０を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物２３０に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。
ここで、図１（Ｂ）において破線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物２３０ｂを含む領域２３９の拡大図を図６に示す。
図６（Ａ）に示すように、酸化物２３０は、トランジスタのチャネル形成領域として機能する領域２３４と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１（領域２３１ａ、および領域２３１ｂ）と、領域２３４と領域２３１との間に設けられる、領域２３２（領域２３２ａ、および領域２３２ｂ）と、を有する。
ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１は、酸素濃度が低く、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域２３４は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い高抵抗領域である。また、領域２３２は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い、かつ、チャネル形成領域として機能する領域２３４よりも、酸素濃度が低く、キャリア密度が高い領域である。
なお、領域２３１は、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域２３２、および領域２３４よりも高いことが好ましい。
例えば、領域２３１は、酸化物２３０の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。酸化物２３０に、金属元素が添加されることで、領域２３１を低抵抗化することができる。なお、領域２３１は、酸化物２３０中の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した領域を有してもよい。
領域２３２は、絶縁体２７２と重畳する領域を有する。領域２３２は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域２３４よりも高いことが好ましい。領域２３２を形成するためには、例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜を設ければよい。これにより、当該膜中の金属元素が酸化物半導体に添加され、酸化物半導体中に金属化合物を形成する場合がある。当該金属化合物は、酸化物２３０に含まれる水素を引き寄せる場合がある。これにより、領域２３１の近傍である領域２３２の水素の濃度が高くなる場合がある。
なお、領域２３２ａ、および領域２３２ｂのいずれか一方または双方は、導電体２６０と重畳する領域を有する構成としてもよい。当該構成とすることで、導電体２６０と、領域２３２ａおよび領域２３２ｂとを、オーバーラップさせることが可能となる。
また、図１、および図６（Ａ）では、領域２３４、領域２３１、および領域２３２が、酸化物２３０ｂに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃにも、形成されていてもよい。また、図１、および図６（Ａ）では、各領域の境界を、酸化物２３０の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域２３２が酸化物２３０ｂの表面近傍では導電体２６０側に張り出し、酸化物２３０ａの下面近傍では、導電体２４０ａ側または導電体２４０ｂ側に後退する形状になる場合がある。
また、酸化物２３０において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化（グラデーションともいう。）していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
酸化物２３０を選択的に低抵抗化するには、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロム、インジウムなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。
従って、領域２３１は、上述の導電性を高める金属元素、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
領域２３１を低抵抗化するために、例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜などを成膜するとよい。金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、少なくとも、絶縁体２５０および導電体２６０を介して、酸化物２３０上に設けることが好ましい。
酸化物２３０の領域２３１に接して、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜を設けることで、酸化物２３０の領域２３１へ、当該膜から金属元素が拡散し、領域２３１に金属化合物が形成され、低抵抗化する。また、領域２３１と、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物２３０中の酸素の一部が該膜に吸収され、領域２３１に酸素欠損を形成し、低抵抗化する場合がある。なお、図６において、酸化物２３０の低抵抗化した領域を、一例として斜線で表す。なお、本明細書等において、斜線で表す範囲については、図６の範囲に限定されない。例えば、酸化物２３０と導電体２４０との界面近傍の領域、または領域２３１における、酸化物２３０の上面から酸化物２３０の下面までの領域に、上記低抵抗化した領域（または範囲）が形成される場合がある。なお、他の図面においても同様である。
また、領域２３１と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下においで熱処理を行うとよい。当該熱処理により、金属膜から、酸化物２３０の領域２３１へ、金属元素が拡散し、領域２３１に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物２３０の領域２３１と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の領域２３１と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
一方、酸化物２３０の導電体２６０、および絶縁体２７２と重畳する領域（領域２３４、および領域２３２）は、導電体２６０、および絶縁体２７２を介しているため、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物２３０の領域２３４、および領域２３２において、酸化物２３０中の酸素原子が、上述した金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜へ吸収されることが抑制される。
また、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜に、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、低抵抗化される。
ここで、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。また、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、後の工程で、酸化物２３０から吸収した水素とともに除去してもよい。
なお、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。
また、例えば、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜が、導電性を有する領域が残存している場合、熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。当該熱処理は、例えば、酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。また、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜の近傍に酸素を有する構造体がある場合、熱処理を行うことで、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、は、当該構造体が有する酸素と反応し、酸化する場合がある。
金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
例えば、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で設けることが好ましい。例えば、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下のアルミニウムを、加熱処理により酸化させると０．７ｎｍ以上８ｎｍ以下の酸化アルミニウムとなる場合がある。なお、上記酸化性雰囲気下で熱処理を行う場合には、酸化物２３０と、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において一度熱処理を行ったあとに行うと好適である。窒素を含む雰囲気下において、一度熱処理を行うことで、酸化物２３０中の酸素が金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜に拡散しやすくなる。
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネルが形成される領域２３４中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
絶縁体２７３として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。スパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくく成膜することができるので、絶縁体２７５となる絶縁体の成膜時に酸化物２３０への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いた成膜法を、ＶＤＳＰ（Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ＳＰ）（登録商標）と呼ぶことができる。
スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位Ｅ０が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位Ｅ１が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位Ｅ２となる領域が存在する。各電位の大小関係は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ０である。
プラズマ内のイオンが、電位差Ｅ２−Ｅ０によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を介して、形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁体２７２に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差Ｅ２−Ｅ１によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体２７２内部まで到達する。イオンが絶縁体２７２に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体２７２に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体２７２に過剰酸素領域が形成される。従って、絶縁体２７３は、スパッタリング法によって成膜された酸化アルミニウムを用いることが好ましい。
図１、および図６（Ａ）に示すように、絶縁体２７３は、絶縁体２７２と接し、絶縁体２７２は、絶縁体２２４、絶縁体２５０および酸化物２３０ｃと接する領域を有する。上述のように、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素（過剰酸素ともいう。）を含む絶縁体２７２を設けることができる。つまり、絶縁体２７２が有する過剰酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと拡散することで、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減することができる。
また、酸化アルミニウムは、酸化物２３０と接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物２３０中の水素を引き抜く場合がある。従って、酸化物２３０中の水素濃度を低減することができる。
上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物２３０の選択的な低抵抗化を行うことができる。
上記において、領域２３１および領域２３２を形成する方法として、酸化物２３０の領域２３１に接して、金属元素を有する膜を設けて低抵抗化した領域を形成する方法を示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０のキャリア密度を増大させ、低抵抗化させることができる元素をドーパントとして添加することによって、低抵抗化した領域を形成してもよい。
ドーパントとしては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素などを用いればよい。このような元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。また、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を添加してもよい。上述した中でもドーパントとしては、ホウ素、及びリンが好ましい。ホウ素、リンをドーパントとして用いる場合、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、設備投資を抑制することができる。上記元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などを用いて測定すればよい。
特に、低抵抗化する領域に添加する元素として、酸化物を形成しやすい元素を用いることが好ましい。このような元素としては、代表的にはホウ素、リン、アルミニウム、マグネシウム等がある。低抵抗化する領域に添加された当該元素は、酸化物２３０中の酸素を奪って酸化物を形成しうる。その結果、低抵抗化する領域には多くの酸素欠損が生じる。当該酸素欠損と、酸化物２３０中の水素とが結合することでキャリアが生じ、極めて低抵抗な領域となる。さらに、低抵抗化する領域に添加された元素は安定な酸化物の状態で低抵抗化する領域に存在するため、その後の工程で高い温度を要する処理が行われたとしても、低抵抗化する領域から脱離しにくい。すなわち、低抵抗化する領域に添加する元素として、酸化物を形成しやすい元素を用いることで、酸化物２３０中に高温のプロセスを経ても高抵抗化しにくい領域を形成できる。
ドーパントの添加によって低抵抗化した領域を形成する場合、例えば、絶縁体２７２、導電体２６０、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃをマスクとしてドーパントを添加すればよい。これにより、酸化物２３０の当該マスクが重畳していない領域に、上記の元素を含む低抵抗化する領域を形成することができる。また、絶縁体２７２、導電体２６０、および酸化物２３０ｃをマスクとする代わりに、ダミーゲートを形成してマスクとしてもよい。この場合、ドーパントの添加後に絶縁体２７２、導電体２６０、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃを形成すればよい。
ドーパントの添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。質量分離を行う場合、添加するイオン種およびその濃度を厳密に制御することができる。一方、質量分離を行わない場合、短時間で高濃度のイオンを添加することができる。また、原子または分子のクラスターを生成してイオン化するイオンドーピング法を用いてもよい。なお、ドーパントを、イオン、ドナー、アクセプター、不純物または元素などと言い換えてもよい。
また、低抵抗化する領域に酸素欠損を形成する元素を添加して、熱処理を行うことで、チャネル形成領域として機能する領域２３４に含まれる水素を、低抵抗化する領域に含まれる酸素欠損で捕獲できる場合がある。これにより、トランジスタ２００に安定な電気特性を与え、信頼性の向上を図ることができる。また、トランジスタ２００のチャネル長は、導電体２６０の幅、および絶縁体２７２の膜厚により決定され、導電体２６０の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ２００の微細化が可能となる。
以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。
以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
導電体２０３は、図１（Ａ）、および図１（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、導電体２０５に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれて設けることが好ましい。
導電体２０５は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。また、導電体２０５は、導電体２０３の上に接して設けるとよい。また、導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。
ここで、導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能する場合がある。また、導電体２０５は、第２のゲート（ボトムゲートともいう。）電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００の閾値電圧を制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００の閾値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体２０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
また、導電体２０３上に導電体２０５を設けることで、第１のゲート電極、および配線としての機能を有する導電体２６０と、導電体２０３との距離を適宜設計することが可能となる。つまり、導電体２０３と導電体２６０の間に絶縁体２１４および絶縁体２１６などが設けられることで、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減し、導電体２０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることができる。
また、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減することで、トランジスタ２００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体２０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体２１４および絶縁体２１６の膜厚を厚くすることが好ましい。なお、導電体２０３の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ２００のチャネル長方向に延伸されてもよい。
なお、導電体２０５は、図１（Ａ）に示すように、酸化物２３０、および導電体２６０と重なるように配置する。また、導電体２０５は、酸化物２３０における領域２３４よりも、大きく設けるとよい。特に、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０の領域２３４のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物２３０のチャネル幅方向における側面において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。
上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
また、導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６の開口の内壁に接して第１の導電体が形成され、さらに内側に第２の導電体が形成されている。ここで、第１の導電体および第２の導電体の上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、第１の導電体および第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０５は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
ここで、導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。
導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５、または導電体２０３の第２の導電体が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体２０３、および導電体２０５を通じて、トランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。
また、導電体２０５の第２の導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体２０５の第２の導電体を単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
また、導電体２０３の第２の導電体は、配線として機能するため、導電体２０５の第２の導電体より導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２０３の第２の導電体は積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
特に、導電体２０３に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物２３０に拡散することで、トランジスタ２００の電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体２１４には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。
なお、導電体２０５、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体２０３の一部が第２のゲート電極として機能することができる。
絶縁体２１０および絶縁体２１４は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１０および絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体２１０として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体２１０および絶縁体２１４よりも基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が、絶縁体２１０および絶縁体２１４よりも基板側に、拡散するのを抑制することができる。
また、導電体２０３の上に導電体２０５を積層して設ける構成にすることにより、導電体２０３と導電体２０５の間に絶縁体２１４を設けることができる。ここで、導電体２０３の第２の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
また、層間膜として機能する絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、絶縁体２１０、または絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
例えば、絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
ここで、酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３、または３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
また、絶縁体２２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。
絶縁体２２２が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。
絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
また、絶縁体２２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体と絶縁体２２２とを組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
なお、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする。）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高いオン電流を得られる。
電子親和力または伝導帯下端のエネルギー準位Ｅｃは、図３４に示すように、真空準位と価電子帯上端のエネルギーＥｖとの差であるイオン化ポテンシャルＩｐと、バンドギャップＥｇから求めることができる。イオン化ポテンシャルＩｐは、例えば、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定することができる。エネルギーギャップＥｇは、例えば、分光エリプソメータを用いて測定することができる。
また、酸化物２３０は、領域２３１、領域２３２、および領域２３４を有する。なお、領域２３１の少なくとも一部は、絶縁体２７３と接する領域を有する。また、領域２３２は、少なくとも、絶縁体２７２と重畳する領域を有する。
なお、トランジスタ２００をオンさせると、領域２３１ａ、または領域２３１ｂは、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域２３４の少なくとも一部は、チャネルが形成される領域として機能する。領域２３１と、領域２３４の間に領域２３２を有することで、トランジスタ２００において、オン電流を大きくし、かつ、非導通時のリーク電流（オフ電流）を小さくすることができる。
トランジスタ２００において、領域２３２を設けることで、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域２３１と、チャネルが形成される領域２３４との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域２３２を有することで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、第１のゲート電極（導電体２６０）とが重ならないため、両者の間で不要な容量が形成されることを抑制できる。また、領域２３２を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。
つまり、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
酸化物２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。例えば、領域２３４となる金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析（ＴＤＳ分析）にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３、または３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下の範囲が好ましい。
具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
また、絶縁体２５０が有する過剰酸素を、効率的に酸化物２３０へ供給するために、金属酸化物を絶縁体２５０上に設けてもよい。従って、金属酸化物は、絶縁体２５０からの酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
なお、金属酸化物は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体２５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
また、金属酸化物は、第１のゲート電極の一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物２３０として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物として用いることができる。その場合、導電体２６０をスパッタリング法で成膜することで、該金属酸化物の電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。該金属酸化物を有することで、導電体２６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ２００のオン電流の向上を図ることができる。
また、絶縁体２５０と、金属酸化物との物理的な厚みにより、導電体２６０と、酸化物２３０との間の距離を保つことで、導電体２６０と酸化物２３０との間のリーク電流を抑制することができる。また、絶縁体２５０、および金属酸化物との積層構造を設けることで、導電体２６０と酸化物２３０との間の物理的な距離、および導電体２６０から酸化物２３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
具体的には、金属酸化物として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、酸化物２３０に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物として用いることができる。
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。
第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、導電体２６０ａ、および導電体２６０ａ上の導電体２６０ｂを有する。導電体２６０ａは、導電体２０５の第１の導電体と同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０、および金属酸化物が有する過剰酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
また、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２６０は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
また、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５が、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域において、延伸している場合、導電体２６０は、当該領域において、絶縁体２５０を介して、重畳していることが好ましい。つまり、酸化物２３０の側面の外側において、導電体２０５と、絶縁体２５０と、導電体２６０とは、積層構造を形成することが好ましい。
上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
また、導電体２６０ｂの上に、バリア膜として機能する絶縁体２８２を配置してもよい。絶縁体２８２は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２８２よりも上方からの酸素で導電体２６０が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体２８２よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、酸化物２３０に混入することを抑制することができる。
バリア膜、およびバッファ層として機能する絶縁体２７２は、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面および導電体２６０の側面に接して設ける。
例えば、絶縁体２７２として、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。
絶縁体２７２として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。例えば、絶縁体２７２を形成後に絶縁体２７３となる絶縁膜をスパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜することで、絶縁体２７２に容易に過剰酸素領域を形成することができる。
または、絶縁体２７２は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いてもよい。例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２５０、および金属酸化物中の酸素が外部に拡散することを抑制することができる。また、絶縁体２５０、および金属酸化物の端部などから酸化物２３０に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。したがって、酸化物２３０と、絶縁体２５０との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
また、絶縁体２７２を設けることで、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面を覆うことができる。これにより、トランジスタ２００の上方から水または水素などの不純物が、絶縁体２５０および導電体２６０を介して、酸化物２３０に混入することを抑制することができる。したがって、絶縁体２７２は、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとしての機能を有する。
絶縁体２７２として、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁体２７２の膜厚は、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることが好ましい。当該構成とすることで、導電体２６０の酸化を抑制しながら、絶縁体２７５が有する過剰酸素を絶縁体２５０へ供給することが可能となる。
また、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に、絶縁体２７２を介して、絶縁体２７３を設ける。上述のように絶縁体２７３となる絶縁体の成膜によって、絶縁体２７２は、過剰酸素領域を有することが好ましい。ここで、絶縁体２２４が、島状に加工されている場合、絶縁体２２４の外側で、絶縁体２２４と絶縁体２７２が接する構造とすればよい。当該構造とすることで、絶縁体２７２の過剰酸素を、絶縁体２２４を介して、酸化物２３０へと供給することができる。
また、酸化物２３０、絶縁体２７３を覆って、層間膜として機能する絶縁体２８０を設けることが好ましい。絶縁体２８０は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。なお、絶縁体２８０の上に絶縁体２８２を設けても良い。絶縁体２８２は、絶縁体２１０と同様の絶縁体２８２を設けてもよい。絶縁体２８２をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２８０の不純物を低減することができる。また、絶縁体２８２上に絶縁体２８０と同様の絶縁体２８３を設けてもよい。
また、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８３の上面と、同一平面上としてもよい。
導電体２４０ａは、トランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域２３１ａと接しており、導電体２４０ｂはトランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域２３１ｂと接している。よって、導電体２４０ａはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｂはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
なお、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
また、図５は、図１（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の導電体２４０ａと、酸化物２３０と、が接する領域の断面図である。なお、導電体２４０ｂと酸化物２３０と、が接する領域についても同様の構成である。
図５（Ａ）は、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、少なくとも酸化物２３０の上面と接し、さらに酸化物２３０の側面と接することが好ましい。特に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる側面において、Ａ５側の側面、およびＡ６側の側面の双方または一方と接することが好ましい。つまり、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０とが接する領域が鞍のような断面形状を有する（鞍面コンタクトと呼ぶことができる）。また、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ１側（Ａ２側）の側面と接する構成にしてもよい。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０と、が接する領域は、図５（Ａ）の一例に限らず、例えば、図５（Ｂ）に示すように、酸化物２３０の上面および酸化物２３０の側面と接する領域を有していてもよい。また、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ１側（Ａ２側）の側面と接する構成にしてもよい。図５（Ｂ）は、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０のＡ５側の側面と接する領域の一例を示しているが、図５（Ｃ）に示すように、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０のＡ６側の側面と接する領域を有してもよい。このような構成とすることで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０と、が接する領域の面積を大きくすることができるので、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０と、のコンタクト抵抗を低くすることができて好ましい。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは積層構造としてもよい。
ここで、図６（Ｂ）に示すように、例えば、絶縁体２８０に開口を形成する際に、酸化物２３０において、領域２３１の低抵抗化した領域が除去されてもよい。その場合、導電体２４０に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物２３０と導電体２４０とが接することで、酸化物２３０中に、新たな低抵抗化した領域が形成される。当該低抵抗化した領域が形成されることで、酸化物２３０と導電体２４０とのコンタクト抵抗を低減することができる。導電体２４０は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。図６（Ｂ）に新たに低抵抗化した領域の近傍を一点鎖線の枠で囲んで示す。
また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３と接する導電体には、導電体２０５の第１の導電体などと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８３より上層から水素、水などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
また、図示しないが、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、導電体２０３などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
＜半導体装置の構成例２＞
図２は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ａ周辺の上面図および断面図である。
図２（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図２（Ｂ）、および図２（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図２（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００ａと、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３を有する。また、トランジスタ２００ａと電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３、およびプラグとして機能する導電体２４０とを有する。
なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２の上面の高さは同程度にできる。なお導電体２０３は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０３を２層以上の多層膜構造としてもよい。また、構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
また、導電体２４０は、絶縁体２７３、絶縁体２８０絶縁体２８２および絶縁体２８３の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８３の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００ａでは、導電体２４０が単層である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０は、２層以上の積層構造でもよい。また、導電体２６０の上面の高さと、絶縁体２８０の上面の高さは、略一致して配置される。
［トランジスタ２００ａ］
図１に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示せず。）の上に配置された絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、導電体２６０の上に配置された絶縁体２７０と、少なくとも酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０および絶縁体２７０の側面に接して配置された絶縁体２７２と、絶縁体２７２を介して導電体２６０の側面に配置された絶縁体２７５と、を有する。導電体２６０は、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを有し、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように導電体２６０ａが配置される。ここで、図２（Ｂ）に示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２７２の上面および絶縁体２７３の上面と略一致して配置される。
トランジスタ２００ａは、絶縁体２７３を有さず、絶縁体２７０および絶縁体２７５を有しするところが、前述のトランジスタ２００の構成と異なる。
絶縁体２７５として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。
図２（Ｂ）に示すように、絶縁体２７５は、絶縁体２７２と接し、絶縁体２７２は、絶縁体２２４および酸化物２３０ｃと接する領域を有する。上述のように、絶縁体２７５として、酸化物を、スパッタリング法により成膜すると過剰酸素を含む絶縁体２７２を設けることができる。つまり、絶縁体２７２が有する過剰酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと拡散することで、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減することができる。
また、酸化アルミニウムは、酸化物２３０と接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物２３０中の水素を引き抜く場合がある。従って、酸化物２３０中の水素濃度を低減することができる。
上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物２３０の選択的な低抵抗化を行うことができる。
また、絶縁体２８３、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口は、絶縁体２８０の内壁が絶縁体２７５の側面に接するように形成する。このように形成するには、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口時に絶縁体２７５のエッチング速度が、絶縁体２８０のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体２７５のエッチング速度を１とすると、絶縁体２８０のエッチング速度は５以上が好ましく、より好ましくは１０以上である。このように開口することで、自己整合的に開口を形成することができ、開口と、ゲート電極と、の位置合わせのマージンが広くなり、開口と、ゲート電極と、の間隔を小さく設計することができるので、半導体装置の高集積化が可能となる。また、本発明の一態様であるトランジスタ２００ａの構成では、例えば、開口形成時に、開口が絶縁体２７０の上面と重なる位置にずれた場合でも導電体２６０と、導電体２４０ａまたは導電体２４０ｂと、が、電気的に短絡することを防ぐことができる。即ち、開口時に絶縁体２７５と同様に、絶縁体２７０のエッチング速度が、絶縁体２８０のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすればよい。従って、絶縁体２７０としては、絶縁体２７５と同様の材料を用いることができる。
ここで、絶縁体２８３、絶縁体２８２および絶縁体２８０に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８２の上面と、同一平面上としてもよい。
導電体２４０ａは、トランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域２３１ａと接しており、導電体２４０ｂはトランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域２３１ｂと接している。よって、導電体２４０ａはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｂはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
なお、絶縁体２８３、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口の内壁に接して導電体２４０ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
また、図２（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００ａは、導電体２６０と、導電体２４０ａと、の間に寄生容量が形成される。同様に、導電体２６０と、導電体２４０ｂと、の間に寄生容量が形成される。当該寄生容量は、導電体２６０と、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚を大きくすることで低減される。
従って、トランジスタ２００ａに絶縁体２７２に加えて絶縁体２７５を設けることで、寄生容量を低減することができる。絶縁体２７５のチャネル長方向の膜厚と絶縁体２７２のチャネル長方向の膜厚との合計値が、酸化シリコン膜に換算した膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｏｘｉｄｅ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）として、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以上３０ｎｍとする。また、絶縁体２７５としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンおよび窒化シリコンを用いることができる。寄生容量を低減することで、トランジスタ２００ａを高速に動作することができる。その他の構成、効果などについては、トランジスタ２００の説明を参酌することができる。
＜半導体装置の構成材料＞
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
＜基板＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可撓性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。すなわち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可撓性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。また、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。可撓性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板である基板としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板である基板として好適である。
＜絶縁体＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。
また、特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定である。そのため、例えば、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。また、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。
水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
例えば、絶縁体２７５および絶縁体２７６として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めることができる。したがって、酸化ハフニウムの膜厚を調整することで、水素、および窒素の適切な添加量を調整することができる。
例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２４および絶縁体２５０は、過剰酸素領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、過剰酸素領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が有する酸素欠損を補償することができる。
また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２２において、アルミニウム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
例えば、絶縁体２２０には、熱に対して安定である酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いることが好ましい。ゲート絶縁体として、熱に対して安定な膜と、比誘電率が高い積層構造とすることで、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域との間のリーク電流を抑制することができる。
絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８０および絶縁体２８３は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８０および絶縁体２８３は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８０および絶縁体２８３は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７０および絶縁体２８２としては、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７０および絶縁体２８２としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。
＜導電体＞
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
導電体２６０、導電体２０３、導電体２０５、および導電体２４０としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
＜金属酸化物＞
酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、およびＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（または正孔）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、および絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、および高い電界効果移動度を得ることができる。
すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損（Ｖｏ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）など）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。とくに、ＩＧＺＯは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍ、または数ｃｍ）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する金属酸化物である。ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
酸化物半導体（金属酸化物）は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
［不純物］
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、金属酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属酸化物中に浅い欠陥準位（ｓＤＯＳ：ｓｈａｌｌｏｗ ｌｅｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）を形成する場合がある。浅い欠陥準位とは、伝導帯下端の近くに位置する界面準位をさす。浅い欠陥準位は、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍に存在することが推定される。ここでは、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域は、領域に含まれる水素の量で区別する。すなわち、低密度領域と比較して、高密度領域は、水素をより多く含む領域とする。金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍は、両領域間の応力歪によって、微小なクラックが生じやすく、該クラック近傍に酸素欠損およびインジウムのダングリングボンドが発生し、ここに、水素または水などの不純物が局在することで、浅い欠陥準位が形成されるものと推定される。
また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも結晶性が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも膜密度が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物が、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、有する組成の場合、高密度領域は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、低密度領域は、インジウムと、亜鉛と、を有する場合がある。別言すると、低密度領域は、高密度領域よりもガリウムの割合が少ない場合がある。
なお、上記浅い欠陥準位は、酸素欠損に起因すると推定される。金属酸化物中の酸素欠損が増えると、浅い欠陥準位とともに深い欠陥準位（ｄＤＯＳ：ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）も増えると推定される。これは、深い欠陥準位も酸素欠損によるものだと考えられるためである。なお、深い欠陥準位とは、バンドギャップの中央付近に位置する欠陥準位をさす。
したがって、金属酸化物中の酸素欠損を抑制することで、浅い欠陥準位及び深い欠陥準位の双方の準位を低減させることが可能となる。また、浅い欠陥準位については、金属酸化物の成膜時の温度を調整することで、ある程度制御できる可能性がある。具体的には、金属酸化物の成膜時の温度を、１７０℃またはその近傍、好ましくは１３０℃またはその近傍、さらに好ましくは室温とすることで、浅い欠陥準位を低減することができる。
また、金属酸化物の浅い欠陥準位は、金属酸化物を半導体として用いたトランジスタの電気特性に影響を与える。即ち、浅い欠陥準位によって、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧（Ｉｄ−Ｖｇ）特性において、ゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄの変化が緩やかとなり、トランジスタのオフ状態からオン状態への立ち上がり特性の良し悪しの目安の１つである、Ｓ値（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ、ＳＳとも言う）が悪化する。これは浅い欠陥準位に電子がトラップされたためと考えられる。
このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
＜半導体装置の作製方法１＞
次に、図１に示す、本発明に係るトランジスタ２００を有する半導体装置について、作製方法を図７乃至図２２を用いて説明する。また、図７乃至図２２において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１０を成膜する。絶縁体２１０の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ＡＬＤ法は、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
本実施の形態では、絶縁体２１０として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体２１０は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
次に絶縁体２１０上に、導電体２０３となる導電膜を成膜する。導電体２０３となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。また、導電体２０３となる導電膜は、多層膜とすることができる。本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜としてタングステンを成膜する。
次に、リソグラフィー法を用いて、導電体２０３となる導電膜を加工し、導電体２０３を形成する。
なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。
また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電体２０３となる導電膜上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。導電体２０３となる導電膜のエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。導電体２０３となる導電膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。
ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
次に、絶縁体２１０上、導電体２０３上に絶縁体２１２となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２１２となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１２となる絶縁膜として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
ここで、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚は、導電体２０３の膜厚以上とすることが好ましい。例えば、導電体２０３の膜厚を１とすると、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚は、１以上３以下とする。本実施の形態では、導電体２０３の膜厚の膜厚を１５０ｎｍとし、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚を３５０ｎｍとする。
次に、絶縁体２１２となる絶縁膜にＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、絶縁体２１２となる絶縁膜の一部を除去し、導電体２０３の表面を露出させる。これにより、上面が平坦な、導電体２０３と、絶縁体２１２を形成することができる（図７参照。）。
ここでは、上記と異なる導電体２０３の形成方法について以下に説明する。
絶縁体２１０上に絶縁体２１２を成膜する。絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、絶縁体２１２に絶縁体２１０に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１０は、絶縁体２１２をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体２１２に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体２１０は窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。
開口の形成後に、導電体２０３となる導電膜を成膜する。該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０３となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜として、多層構造とする。まず、スパッタリング法によって窒化タンタルまたは、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜する。このような金属窒化物を導電体２０３となる導電膜の下層に用いることにより、後述する導電体２０３となる導電膜の上層の導電膜として銅などの拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０３から外に拡散するのを防ぐことができる。
次に、導電体２０３となる導電膜の上層の導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜の上層の導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０３となる導電膜の上層、ならびに導電体２０３となる導電膜の下層の一部を除去し、絶縁体２１２を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０３となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０３を形成することができる。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１２の一部が除去される場合がある。以上が、導電体２０３の異なる形成方法である。
次に、絶縁体２１２、および導電体２０３上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１４として、ＣＶＤ法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体２１４として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、導電体２０３の第２の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
次に、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２１４および絶縁体２１６に、導電体２０３に達する開口を形成する。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。
開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。導電体２０５ａとなる導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電性材料を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０５ａとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
本実施の形態では、導電体２０５ａとなる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。
次に、導電体２０５ａとなる導電膜上に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
本実施の形態では、導電体２０５ｂとなる導電膜として、ＣＶＤ法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上にＣＶＤ法によってタングステンを成膜する。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０５ａとなる導電膜、ならびに導電体２０５ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０５ａとなる導電膜および導電体２０５ｂとなる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂを含む導電体２０５を形成することができる（図７参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１６の一部が除去される場合がある。
次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２０を成膜する。絶縁体２２０の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１２として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２２０上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２２が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体２２２を通じてトランジスタ２００の内側へ拡散することが抑制され、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、絶縁体２２２上に絶縁膜２２４Ａを成膜する。絶縁膜２２４Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図７参照。）。本実施の形態では、絶縁膜２２４Ａとして、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁膜２２４Ａの成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁膜２２４Ａに含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。
また、加熱処理は、絶縁体２２０成膜後、および絶縁体２２２の成膜後のそれぞれのタイミングで行うこともできる。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができるが、絶縁体２２０成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。
ここで、絶縁膜２２４Ａに過剰酸素領域を形成するために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁膜２２４Ａ内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁膜２２４Ａに含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
次に、絶縁膜２２４Ａ上に、酸化物２３０ａとなる酸化膜２３０Ａと、酸化物２３０ｂとなる酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図７参照。）。なお、上記酸化膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂとの界面近傍を清浄に保つことができる。
酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。
特に、酸化膜２３０Ａの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁膜２２４Ａに供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。
本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
次に、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを島状に加工して、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成する。なお、当該工程において、絶縁膜２２４Ａを島状に加工して、絶縁体２２４を形成してもよい。その場合、絶縁体２２２をエッチングストッパ膜として用いることができる（図８参照。）。
ここで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。または、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が低い角度になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角は６０°以上７０°未満が好ましい。この様な形状とすることで、これより後の工程において、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面に絶縁体２７２が形成されないようにすることができる。
また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と、酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、酸化物２３０ｂの端部において、曲率半径が、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以上６ｎｍ以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。
なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
また、ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。
続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの上に、酸化膜２３０Ｃを成膜する（図９参照。）。
酸化膜２３０Ｃの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化物２３０ｃに求める特性に合わせて、酸化膜２３０Ａ、または酸化膜２３０Ｂと同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｃを成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
続いて、酸化膜２３０Ｃ上に、絶縁膜２５０Ａおよびダミーゲート膜２６２Ａを順に成膜する（図９参照。）。
まず、絶縁膜２５０Ａを成膜する。絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３５０℃以上４５０℃未満、特に４００℃前後とすることが好ましい。絶縁膜２５０Ａを、４００℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。
なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、当該酸素プラズマに絶縁膜２５０Ａを曝すことで、絶縁膜２５０Ａ、へ酸素を導入することができる。
また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁膜２５０Ａの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
ダミーゲート膜２６２Ａは、加工してダミーゲートとして使用する。ダミーゲートとは、仮のゲート電極のことである。つまり、ダミーゲート膜２６２Ａを加工することで、仮のゲート電極を形成し、後の工程において該ダミーゲートを除去し、代わりに導電膜等によるゲート電極を形成する。従って、ダミーゲート膜２６２Ａは微細加工が容易であり、かつ、除去も容易な膜を用いることが好ましい。
ダミーゲート膜２６２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。または、塗布法を用いて、樹脂膜を形成しても良い。例えば、フォトレジスト、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。樹脂膜を塗布法によって形成することで、ダミーゲート膜２６２Ａの表面を平坦にすることができる。このように、ダミーゲート膜２６２Ａの表面を平坦にすることで、微細加工が容易となり、さらに、除去も容易である。
また、ダミーゲート膜２６２Ａは、異なる膜種を用いて多層膜とすることもできる。例えば、ダミーゲート膜２６２Ａを導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造の膜とすることができる。ダミーゲート膜をこのような構造とすることで、例えば、後のＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、ＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、加工ばらつきの低減が可能となる場合がある。
次に、リソグラフィー法によって、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａおよびダミーゲート膜２６２Ａをエッチングし、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６２Ｂを形成する（図１０参照。）。酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６２Ｂは、少なくとも一部が、導電体２０５および酸化物２３０と重なるように形成する。
また、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０の側面およびダミーゲート層２６２Ｂの側面は、同一面内であることが好ましい。
また、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０の側面およびダミーゲート層２６２Ｂの側面が共有する同一面は、基板の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。つまり、断面形状において、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、ダミーゲート層２６２Ｂは、酸化物２３０の上面に対する角度が、鋭角、かつ大きいほど好ましい。なお、断面形状において、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、およびダミーゲート層２６２Ｂの側面と、酸化物２３０の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６２Ｂの側面と、酸化物２３０の上面のなす角は大きいほど好ましい。
次に、酸化物２３０、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６２Ｂを覆って、絶縁膜２７２Ａを成膜する（図１１参照。）。絶縁膜２７２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。
絶縁膜２７２Ａは、被覆性に優れたＡＬＤ法により成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、ダミーゲート層２６２Ｂなどにより形成された段差部においても、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６２Ｂの側面に対して、均一な厚さを有する絶縁膜２７２Ａを形成することができる。また、ＡＬＤ法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。
絶縁膜２７２Ａとして、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
一方、絶縁膜２７２Ａとして、バリア性を有する酸化アルミニウムなどを設けてもよい。例えば、導電体２６０が酸化しやすい金属膜である場合、バリア性を有する絶縁体を用いることで、導電体２６０が絶縁体２７２の外方からの酸素で酸化することを抑制することができる。これにより、導電体２６０の抵抗値が上がることを抑制することができる。
絶縁膜２７２Ａとして、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁膜２７２Ａの膜厚は、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。当該構成とすることで、後の工程で、導電体２６０の酸化を抑制しながら、絶縁体２７５が有する過剰酸素を絶縁体２５０へ供給することが可能となる。
次に、絶縁膜２７２Ａに異方性のエッチング処理を行い、絶縁体２７２Ｂを形成する（図１２参照。）。
上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体２７２Ｂを自己整合的に形成することができる。
また、酸化物２３０の側面に接して絶縁膜２７２Ａが残存して絶縁体２７２を形成する場合もある。絶縁体２７２を酸化物２３０の側面に接して設けることで、酸化物２３０に混入する水または水素などの不純物を低減し、酸化物２３０から酸素が外方拡散するのを防ぐことができる場合がある。
続いて、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７２Ｂを介して、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０上に膜２４２Ａを成膜する（図１３参照。）。なお、膜２４２Ａは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚にするとよい。膜２４２Ａは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜２４２Ａは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜２４２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
続いて、加熱処理を行う。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、加熱処理として、膜２４２Ａの成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜２４２Ａから、上述した金属元素が酸化物２３０へ拡散し、酸化物２３０に金属元素を添加することができる。また、酸化物２３０の膜２４２Ａとの界面近傍における酸素が膜２４２Ａに吸収される場合がある。その結果、酸化物２３０の膜２４２Ａとの界面近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その際、酸化物２３０の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。
また、膜２４２Ａに導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。膜２４２Ａを、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
上記膜２４２Ａの成膜工程、または加熱処理において、膜２４２Ａに、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、ｎ型となり、低抵抗化される。
続いて、膜２４２Ａを除去する。なお、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。本工程では、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。膜２４２Ａを除去することで、膜２４２Ａに吸収された酸化物２３０中の水素を同時に除去することができる。従って、トランジスタ２００中の不純物である水素を低減することができる。なお、酸化物２３０の低抵抗化した領域近傍に斜線を付して示す（図１４参照。）。
次に、絶縁体２２２、酸化物２３０、絶縁体２７２Ｂおよびダミーゲート層２６２Ｂを覆って、絶縁膜２７３Ａを成膜する（図１５参照。）。絶縁膜２７３Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、スパッタリング法を用いて酸化アルミニウムを成膜することが好ましい。
次に、絶縁膜２７３Ａ上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２８０となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、絶縁体２８０となる絶縁膜、ダミーゲート層２６２Ｂ、絶縁体２７２Ｂ、および絶縁膜２７３Ａの一部をダミーゲート層２６２Ｂの一部が露出するまで除去し、絶縁体２８０、ダミーゲート２６２、絶縁体２７２、および絶縁体２７３を形成する（図１６参照。）。絶縁体２８０、ダミーゲート２６２、絶縁体２７２、および絶縁体２７３の形成にはＣＭＰ処理を用いることが好ましい。
また、上述のようにダミーゲート膜２６２Ａを、例えば、導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造の膜とすることで、ＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、該導電膜がＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、ダミーゲート２６２の高さのばらつきの低減が可能となる場合がある。図に示すように、ダミーゲート２６２の上面と、絶縁体２７２、絶縁体２７３および絶縁体２８０の上面が略一致する。
次に、ダミーゲート２６２を除去する。ダミーゲート２６２の除去は、ウェットエッチング、ドライエッチング、またはアッシングなどを用いて行うことができる。または、適宜、上記の処理を複数組み合わせて行ってもよい。例えば、アッシング処理の後に、ウェットエッチング処理を行うなどがある。ダミーゲート２６２を除去することにより、絶縁体２５９の表面が露出する（図１７参照。）。
次に、絶縁体２５０の表面が露出しているところから、酸素を絶縁体２５０へ注入する処理を行う。酸素を注入する処理としては、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理、イオン注入装置を用いて酸素イオンを注入する処理などがある。例えば、高密度プラズマ源を有する装置を用いて、酸素を含むガスによるプラズマを照射することによって、酸素を絶縁体２５０へ注入することができる。または、イオン注入装置を用いて酸素イオンを絶縁体２５０へ注入することができる。以上のような方法によって絶縁体２５０に酸素を添加し、酸化物２３０に酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物２３０の領域２３４の酸素欠損を低減することができる（図１７参照。）。
または、導電性酸化物を成膜することでも酸素を絶縁体２５０へ注入することができる。例えば、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂとして用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２５０に酸素を添加し、酸化物２３０に酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物２３０の領域２３４の酸素欠損を低減することができる（図１７参照。）。
本実施の形態では、上述のように導電性の高い金属酸化物を成膜することによって、酸素を絶縁体２５０へ注入する。絶縁体２５０に酸素を入れることでソース領域またはドレイン領域としての機能を有する領域２３１ａまたは領域２３１ｂから、チャネル形成領域を有する領域２３４へ酸素欠損が拡散してきた場合でも、直ちに消失させることができる。したがって、実効チャネル長が短くなることを抑制できる。即ち、チャネル長が極短い場合でもオンオフの取れた、良好な電気特性のトランジスタを作製することができる。
次に、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを成膜する。導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、ＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａａを成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電膜２６０Ａｂを成膜する（図１８および図１９参照。）。
次に、ＣＭＰ処理によって、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、導電体２６０Ｂａおよび導電体２６０Ｂｂを有する導電体２６０Ｂを形成する（図２０参照。）。
次に、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２となる絶縁膜を形成してもよい。絶縁体２８２となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８２となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体２８０が有する水素を酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる場合がある。次に絶縁体２８２上に、絶縁体２８３となる絶縁体を成膜してもよい。絶縁体２８３となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図２１参照。）。
次に、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に、酸化物２３０の領域２３１に達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。
次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、水または水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体２４０となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
ここで、例えば、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に開口を形成する際に、酸化物２３０における領域２３１の低抵抗化した領域を除去してもよい。当該開口に導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜すると、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜とが接する領域を有するため、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜と、の接触領域を低抵抗化することができる。当該接触領域を低抵抗化することで、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、の十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８３を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（図２２参照。）。
また、開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成した後に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成してもよい。開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成することで、外方からの酸素の透過を抑制し、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。該酸化アルミニウムの形成は、開口にＡＬＤ法などを用いて酸化アルミニウムを成膜し、異方性エッチングを行うことで形成することができる。
以上により、トランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。図７乃至図２２に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ２００を作成することができる。
なお、図３に、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が低い角度になる構成例について示す。この様な形状とすることで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面に絶縁体２７２が形成されないので、酸化物２３０の低抵抗領域である領域２３１が、酸化物２３０ａの側面にも形成することができる。
また、図４に、膜２４２Ａを残存する構成の一例を示す。膜２４２Ａの酸化物２３０と接する領域以外を高抵抗化して絶縁体２４２として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
＜半導体装置の作製方法２＞
次に、図２に示す、本発明に係るトランジスタ２００ａを有する半導体装置について、作製方法を図２３乃至図３３を用いて説明する。また、図２３乃至図３３において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００ａのチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００ａのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図１４に示す、絶縁体２７２Ｂ形成後、膜２４２Ａによって、酸化物２３０に低抵抗化した領域を形成するまでは、半導体装置の作製方法１に示すトランジスタ２００を有する半導体装置の作製方法を参酌する。
次に、絶縁体２２２、酸化物２３０、絶縁体２７２Ｂおよびダミーゲート層２６２Ｂを覆って、絶縁膜２７５Ａを成膜する。絶縁膜２７５Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁膜２７５Ａとして、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜する。本成膜によって、酸素を絶縁膜２７２Ａに添加することができる。該酸素は、絶縁膜２７２Ａを介して、酸化物２３０に添加され、酸化物２３０中の欠陥を修復することができる（図２３参照。）。
次に、絶縁膜２７５Ａに異方性のエッチング処理を行い、絶縁体２７５Ｂを形成する（図２４参照。）。
上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体２７５Ｂを自己整合的に形成することができる。
次に、絶縁体２２２、酸化物２３０、絶縁体２７５Ｂ、絶縁体２７２Ｂおよびダミーゲート層２６２Ｂを覆って、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２８０となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、絶縁体２８０となる絶縁膜、ダミーゲート層２６２Ｂ、絶縁体２７２Ｂおよび絶縁体２７５Ｂの一部をダミーゲート層２６２Ｂの一部が露出するまで除去し、絶縁体２８０、ダミーゲート２６２、絶縁体２７２、および絶縁体２７５を形成する（図２５参照。）。絶縁体２８０、ダミーゲート２６２、絶縁体２７２、および絶縁体２７５の形成にはＣＭＰ処理を用いることが好ましい。
また、上述のようにダミーゲート膜２６２Ａを、例えば、導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造の膜とすることで、ＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、該導電膜がＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、ダミーゲート２６２の高さのばらつきの低減が可能となる場合がある。図に示すように、ダミーゲート２６２の上面と、絶縁体２７２、絶縁体２７３および絶縁体２８０の上面が略一致する。
次に、ダミーゲート２６２を除去する。ダミーゲート２６２の除去は、ウェットエッチング、ドライエッチング、またはアッシングなどを用いて行うことができる。または、適宜、上記の処理を複数組み合わせて行ってもよい。例えば、アッシング処理の後に、ウェットエッチング処理を行うなどがある。ダミーゲート２６２を除去することにより、絶縁体２５９の表面が露出する（図２６参照。）。
次に、絶縁体２５０の表面が露出しているところから、酸素を絶縁体２５０へ注入する処理を行う。酸素を注入する処理としては、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理、イオン注入装置を用いて酸素イオンを注入する処理などがある。例えば、高密度プラズマ源を有する装置を用いて、酸素を含むガスによるプラズマを照射することによって、酸素を絶縁体２５０へ注入することができる。または、イオン注入装置を用いて酸素イオンを絶縁体２５０へ注入することができる。以上のような方法によって絶縁体２５０に酸素を添加し、酸化物２３０に酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物２３０の領域２３４の酸素欠損を低減することができる（図２６参照。）。
または、導電性酸化物を成膜することでも酸素を絶縁体２５０へ注入することができる。例えば、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂとして用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２５０に酸素を添加し、酸化物２３０に酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物２３０の領域２３４の酸素欠損を低減することができる（図２６参照。）。
本実施の形態では、上述のように導電性の高い金属酸化物を成膜することによって、酸素を絶縁体２５０へ注入する。絶縁体２５０に酸素を入れることでソース領域またはドレイン領域としての機能を有する領域２３１ａまたは領域２３１ｂから、チャネル形成領域を有する領域２３４へ酸素欠損が拡散してきた場合でも、直ちに消失させることができる。したがって、実効チャネル長が短くなることを抑制できる。即ち、チャネル長が極短い場合でもオンオフの取れた、良好な電気特性のトランジスタを作製することができる。
次に、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを成膜する。導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、ＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａａを成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電膜２６０Ａｂを成膜する（図２７および図２８参照。）。
次に、ＣＭＰ処理によって、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、導電体２６０Ｂａおよび導電体２６０Ｂｂを有する導電体２６０Ｂを形成する（図２９参照。）。
次に、導電体２６０Ｂａおよび導電体２６０Ｂｂの一部を除去し、導電体２６０Ｂを薄膜化し、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを形成する。薄膜化は、ウエットエッチングまたはドライエッチングを用いることができる。また、薄膜化する量は導電体２６０Ｂの厚さの１／４程度とすることが好ましい（図３０参照。）。
次に、絶縁体２７０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２７０となる絶縁膜を成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体２７０となる絶縁膜として、絶縁体２７５と同様の材料を用いることが好ましい。
次に、ＣＭＰ処理によって、絶縁体２７０となる絶縁膜を絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、絶縁体２７０を形成することができる（図３１参照。）。
次に、絶縁体２７０および絶縁体２８０上に、絶縁体２８２となる絶縁膜を形成してもよい。絶縁体２８２となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８２となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体２８０が有する水素を酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる場合がある。次に絶縁体２８２上に、絶縁体２８３となる絶縁体を成膜してもよい。絶縁体２８３となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に、酸化物２３０の領域２３１に達する開口を形成する（図３２参照。）。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。ここで、導電体２４０が、絶縁体２７５の側面に接して設けられるように、当該開口を形成する。当該開口条件は、絶縁体２７５をほとんどエッチングしない条件、即ち絶縁体２７５のエッチング速度に比べて絶縁体２８０のエッチング速度が大きいことが好ましい。絶縁体２７５のエッチング速度を１とすると、絶縁体２８０のエッチング速度は５以上が好ましく、より好ましくは１０以上である。この様な開口条件とすることで、開口部を領域２３１へ自己整合的に配置することができるので微細なトランジスタの作製ができる。また、例えば、開口が絶縁体２７０の上面と重なる位置にずれた場合でも、絶縁体２７０のエッチング速度が、絶縁体２７５と同様に、絶縁体２８０のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすれば開口が導電体２６０に達することがない。即ち、導電体２６０と、導電体２４０ａまたは導電体２４０ｂと、が、電気的に短絡することを防ぐことができる。従って、リソグラフィー工程において、導電体２６０と、開口と、の位置ずれに対する許容範囲が大きくなるので歩留まりの向上が期待できる。
次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、水または水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体２４０となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
ここで、例えば、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に開口を形成する際に、酸化物２３０における領域２３１の低抵抗化した領域を除去してもよい。当該開口に導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜すると、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜とが接する領域を有するため、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜と、の接触領域を低抵抗化することができる。当該接触領域を低抵抗化することで、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、の十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８２を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（図３３および図２参照。）。
また、開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成した後に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成してもよい。開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成することで、外方からの酸素の透過を抑制し、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。該酸化アルミニウムの形成は、開口にＡＬＤ法などを用いて酸化アルミニウムを成膜し、異方性エッチングを行うことで形成することができる。
以上により、トランジスタ２００ａを有する半導体装置を作製することができる。図２３乃至図３３に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ２００ａを作成することができる。
本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図３５（Ａ）、図３５（Ｂ）、および図３５（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、容量素子１００、およびトランジスタ２００周辺の上面図、および断面図である。なお、本明細書では、１つの容量素子、および少なくとも１つのトランジスタを有する記憶装置をセルと称する。
図３５（Ａ）は、トランジスタ２００、および容量素子１００を有するセル６００の上面図である。また、図３５（Ｂ）、および図３５（Ｃ）はセル６００の断面図である。ここで、図３５（Ｂ）は、図３５（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図３５（Ｃ）は、図３５（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。図３５（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
［セル６００］
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、容量素子１００、および層間膜として機能する絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）とを有する。
図３５に示すセル６００は、トランジスタ２００と、容量素子１００とを、同層に設けることで、トランジスタ２００を構成する構造の一部を、容量素子１００が構成する構造の一部と、併用することができる。つまり、トランジスタ２００の構造の一部は、容量素子１００の構造の一部として、機能する場合がある。
また、トランジスタ２００に、容量素子１００の一部、または全体が、重畳することで、トランジスタ２００の投影面積、および容量素子１００の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。
また、トランジスタ２００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する導電体２４０ｂ、および導電体２０７を、容量素子１００、およびトランジスタ２００が重畳する領域の下部に設けることで、セル６００の微細化、または高集積化が容易となる。また、導電体２０７は、トランジスタ２００の構成である導電体２０５と同工程で形成できるため、工程短縮が可能となる。また、容量素子１００において、トランジスタ２００と同様に、導電体２０７の下面に接して、配線として機能する導電体２０３を設けてもよい。
なお、容量素子１００において、必要な容量値に応じて、トランジスタ２００、および容量素子１００のレイアウトを適宜設計することができる。
例えば、容量素子１００の面積は、酸化物２３０の領域２３１ｂと、導電体１２０が、絶縁体２７８を介して重畳する面積により決定される。従って、セル６００に必要な容量値が図３５（Ａ）、および図３５（Ｂ）に示す容量素子１００では得られない場合、領域２３１ｂのＡ３−Ａ４方向の幅を、領域２３４のＡ３−Ａ４方向の幅よりも大きくすることで、容量値を大きくすることができる。
また、例えば、領域２３１ｂのＡ１−Ａ２方向の長さを、導電体１２０のＡ１−Ａ２方向の長さよりも長くしてもよい。その場合、導電体２４０ｂを、絶縁体２８０および絶縁体２８２に埋め込むことができる。つまり領域２３１ｂと、導電体２４０ｂとが、領域２３１ｂと導電体１２０とが重畳しない領域で接するように設けてもよい。従って、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを同一工程で形成することで、工程を短縮することができる。
上記構造を有することで、微細化または高集積化が可能である。また、設計自由度を高くすることができる。また、トランジスタ２００は、容量素子１００と、同一の工程で形成する。従って、工程を短縮することができるため、生産性を向上させることができる。
［トランジスタ２００］
トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図３５に示すトランジスタ２００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。例えば、図３６に示すように、トランジスタ２００を半導体装置の構成例２に示すトランジスタ２００ａを用いてもよい。半導体装置の構成例２に示すトランジスタ２００ａは、より微細な半導体装置とすることができる為、セル６００の専有面積の縮小化が期待できる。
［容量素子１００］
図３５に示すように、容量素子１００は、トランジスタ２００と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ２００の酸化物２３０に設けられた領域２３１ｂを、容量素子１００の電極の一方として機能する容量素子１００の例について示す。
容量素子１００は、酸化物２３０の領域２３１ｂ、領域２３１ｂ上に絶縁体２７８、絶縁体２７８上に導電体１２０を有する。導電体１２０は、絶縁体２７８の上に、少なくとも一部が酸化物２３０の領域２３１ｂと重なるように配置されることが好ましい。
酸化物２３０の領域２３１ｂは、容量素子１００の電極の一方として機能し、導電体１２０は容量素子１００の電極の他方として機能する。絶縁体２７８は容量素子１００の誘電体として機能する。酸化物２３０の領域２３１ｂは低抵抗化されており、導電性酸化物である。従って、容量素子１００の電極の一方として機能することができる。
絶縁体２７８は、比誘電率の大きい絶縁体を用いることが好ましく、絶縁体２２２などに用いることができる絶縁体を用いればよい。例えば、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。また、絶縁体２７８は、積層構造であってもよい、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などから、２層以上を選び積層構造としても良い。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムおよび酸化ハフニウムを順に成膜し、積層構造とすることが好ましい。酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムの膜厚は、それぞれ、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。このような積層構造とすることで、容量値が大きく、かつ、リーク電流の小さな容量素子１００とすることができる。
図３５（Ａ）に示すように、導電体１２０の底面および側面を包むように絶縁体２７８が配置される。導電体１２０は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体１２０は積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
＜セルアレイの構造＞
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図３７、および図３８に示す。例えば、図３６に示すトランジスタ２００、および容量素子１００を有するセル６００を、行列、またはマトリクス状に配置することで、セルアレイを構成することができる。
図３７（Ａ）は、図３６に示すセル６００を、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図３７（Ａ）においては、行方向に隣り合うセル６００が有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が共通のＢＬ（ＢＬ０１、ＢＬ０２、ＢＬ０３）と電気的に接続する。また、当該ＢＬは、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、行方向に隣り合うセル６００が有するトランジスタの第１のゲートは、異なるＷＬ（ＷＬ０１乃至ＷＬ０６）と電気的に接続する。また、各セル６００が有するトランジスタには第２のゲートＢＧが設けられていてもよい。ＢＧに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。また、セル６００が有する容量の第１の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第１の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル６００が有する容量の第２の電極は、ＰＬと電気的に接続する。
図３７（Ｂ）は、図３７（Ａ）における、行の一部としてＷＬ０４とＢＬ０２に電気的に接続されたセル６００ａ、およびＷＬ０３とＢＬ０２に電気的に接続されたセル６００ｂを含む回路６１０を抜き出した断面図である。図３７（Ｂ）は、セル６００ａ、およびセル６００ｂの断面図を示す。
セル６００ａは、トランジスタ２００ａおよび容量素子１００ａを有している。セル６００ｂは、トランジスタ２００ｂおよび容量素子１００ｂを有している。
トランジスタ２００ａのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方は、いずれもＢＬ０２と電気的に接続している。
上記構成より、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続する配線を共通化することで、セルアレイの占有面積をさらに縮小することができる。
図３８（Ａ）は、図３０に示すセル６００を、マトリクス状に配置した回路において、図３７（Ａ）と異なる形態を示す回路図である。図３８（Ａ）においては、行方向に配置されたセル６００が有するトランジスタの第１のゲートが共通のＷＬ（ＷＬ０１、ＷＬ０２、ＷＬ０３）と電気的に接続する。また、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が、共通のＢＬ（ＢＬ０１乃至ＢＬ０６）と電気的に接続する。また、各セル６００が有するトランジスタには第２のゲートＢＧが設けられていてもよい。ＢＧに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。また、セル６００が有する容量の第１の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第１の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル６００が有する容量の第２の電極は、ＰＬと電気的に接続する。ここで、図３８（Ａ）に示すように、セル６００の容量の第２の電極は、当該セル６００に隣接するセル６００の容量の第２の電極と、共通のＰＬに電気的に接続する構成としてもよい。
図３８（Ｂ）は、図３８（Ａ）における、行の一部としてＷＬ０２とＢＬ０３に電気的に接続されたセル６００ａ、およびＷＬ０２とＢＬ０４に電気的に接続されたセル６００ｂを含む回路６２０を抜き出した断面図である。図３８（Ｂ）は、セル６００ａ、およびセル６００ｂの断面図を示す。
セル６００ａは、トランジスタ２００ａおよび容量素子１００ａを有している。セル６００ｂは、トランジスタ２００ｂおよび容量素子１００ｂを有している。
容量素子１００ａの第２の電極と、容量素子１００ｂの第２の電極は、共通の導電体を用いており、当該導電体はＰＬと電気的に接続している。
また、セル６００を平面に配置するのみでなく、積層して配置する構成としてもよい。図３９に回路６１０を含むセルアレイをｎ＋１層積層する構成の断面図を示す。図３９に示すように、複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの専有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、３Ｄセルアレイを構成することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図４０乃至図４５を用いて説明する。
＜記憶装置１＞
図４０、図４１および図４２に示す記憶装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。図４０および図４２は、トランジスタ２００およびトランジスタ３００のチャネル長方向の断面図である。図４１には、トランジスタ３００近傍のトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図を示す。
トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
図４０、および図４２に示す記憶装置において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００のトップゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のボトムゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
図４０、および図４２に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線１００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、配線１００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＳＮに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、配線１００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＳＮに電荷が保持される（保持）。
トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＳＮの電荷は長期間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。配線１００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、配線１００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、配線１００２は、ノードＳＮに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために必要な配線１００５の電位をいうものとする。したがって、配線１００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＳＮに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＳＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は「導通状態」となる。一方、ノードＳＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通状態」のままである。このため、配線１００２の電位を判別することで、ノードＳＮに保持されている情報を読み出すことができる。
＜記憶装置１の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図４０に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。
トランジスタ３００は、図４１に示すように、半導体領域３１３の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ３００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ３００のオフ特性を向上させることができる。
トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電値の材料を変更することでしきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
なお、図４０に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。
絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ）などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能する。また、プラグまたは配線として機能する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図４０において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。
絶縁体３５０、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図４０において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３６６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図４０において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３７６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３７６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３７０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図４０において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３８６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３８６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３８０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
上記において、導電体３５６を含む配線層、導電体３６６を含む配線層、導電体３７６を含む配線層、および導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る記憶装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を５層以上にしてもよい。
絶縁体３８４上には絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６が、順に積層して設けられている。絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
また、例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
特に、絶縁体２１０、および絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。なお、トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図４０に示すトランジスタ２００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０を設ける。
絶縁体２８０上には、絶縁体２８２が設けられている。絶縁体２８２は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。従って、絶縁体２８２には、絶縁体２１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体２８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
また、絶縁体２８２上には、絶縁体２８６が設けられている。絶縁体２８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２８６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６には、導電体２４６、および導電体２４８等が埋め込まれている。
導電体２４６、および導電体２４８は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する。導電体２４６、および導電体２４８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
続いて、トランジスタ２００の上方には、容量素子１００が設けられている。容量素子１００は、導電体１１０と、導電体１２０、および絶縁体１３０とを有する。
また、導電体２４６、および導電体２４８上に、導電体１１２を設けてもよい。導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する。導電体１１０は、容量素子１００の電極として機能する。なお、導電体１１２、および導電体１１０は、同時に形成することができる。
導電体１１２、および導電体１１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
図４０では、導電体１１２、および導電体１１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
また、導電体１１２、および導電体１１０上に、容量素子１００の誘電体として、絶縁体１３０を設ける。絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子１００は、絶縁体１３０を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
絶縁体１３０上に、導電体１１０と重畳するように、導電体１２０を設ける。なお、導電体１２０は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。絶縁体１５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体１５０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
＜記憶装置１の変形例＞
以下では、図４２を用いて、本発明の一態様に係る記憶装置の一例について説明する。
図４２は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００を有する記憶装置の断面図である。なお、図４２に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
図４２に示す記憶装置は、＜記憶装置１の構造＞に示した記憶装置と、先の実施の形態で説明したセル６００を設けた点において異なる。
具体的には、図４２に示すように、容量素子１００と、トランジスタ２００の代わりに、容量素子１００の構成の一部と、トランジスタ２００の構成の一部とを共有するセル６００を有する。
上記構造により、セル６００と、トランジスタ３００との一部、または全体が、重畳することで、記憶装置の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。従って、セル６００の微細化、または高集積化が容易となる。また、工程短縮が可能となる。
＜記憶装置２＞
図４３に示す半導体装置は、トランジスタ４００と、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図４３を用いて説明する。
本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ２００、トランジスタ４００、および容量素子１００の接続関係の一例を示した回路図を図４３（Ａ）に示す。また、図４３（Ａ）に示す配線１００４から配線１０１０などを対応させた半導体装置の断面図を図４３（Ｂ）に示す。
基板（図示せず）の上に形成されたトランジスタ２００およびトランジスタ４００は、異なる構成を有する。例えば、トランジスタ４００は、トランジスタ２００と比較して、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流が小さい構成とすればよい。トランジスタ４００をスイッチング素子として、トランジスタ２００のボトムゲートの電位を制御できる構成とする。これにより、トランジスタ２００のボトムゲートと接続するノードを所望の電位にした後、トランジスタ４００をオフ状態にすることで、トランジスタ２００のボトムゲートと接続するノードの電荷が消失することを抑制することができる。
図４３に示すように、トランジスタ２００は、ゲートが配線１００４と、ソースおよびドレインの一方が配線１００３と、ソース及びドレインの他方が容量素子１００の電極の一方と電気的に接続される。また、容量素子１００の電極の他方が配線１００５と電気的に接続される。また、トランジスタ４００のドレインが配線１０１０と電気的に接続される。また、図４３（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００のボトムゲートと、トランジスタ４００のソース、トップゲート、およびボトムゲートが、配線１００６、配線１００７、配線１００８、および配線１００９を介して電気的に接続される。
ここで、配線１００４に電位を印加することで、トランジスタ２００のオン状態、オフ状態を制御することができる。トランジスタ２００をオン状態として、配線１００３に電位を印加することで、トランジスタ２００を介して、容量素子１００に電荷を供給することができる。このとき、トランジスタ２００をオフ状態にすることで、容量素子１００に供給された電荷を保持することができる。また、配線１００５は、任意の電位を与えることで、容量結合によって、トランジスタ２００と容量素子１００の接続部分の電位を制御することができる。例えば、配線１００５に接地電位を与えると、上記電荷を保持しやすくなる。また、配線１０１０に負の電位を印加することで、トランジスタ４００を介して、トランジスタ２００のボトムゲートに負の電位を与え、トランジスタ２００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、Ｉｃｕｔを非常に小さくすることができる。ここで、Ｉｃｕｔとは、トップゲートに印加する電圧が０Ｖのときのドレイン電流のことを指す。
トランジスタ４００のトップゲート及びボトムゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ４００のソースとトランジスタ２００のボトムゲートを接続する構成にすることで、配線１０１０によって、トランジスタ２００のボトムゲート電圧を制御することができる。トランジスタ２００のボトムゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ４００のトップゲートとソース間の電圧、およびボトムゲートとソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ４００のＩｃｕｔが非常に小さく、しきい値電圧がトランジスタ２００より大きいので、この構成とすることにより、トランジスタ４００に電源供給をしなくてもトランジスタ２００のボトムゲートの負電位を長時間維持することができる。
さらに、トランジスタ２００のボトムゲートの負電位を保持することで、トランジスタ２００に電源供給をしなくてもトランジスタ２００のＩｃｕｔを非常に小さくすることができる。つまり、トランジスタ２００およびトランジスタ４００に電源供給をしなくても、容量素子１００に電荷を長時間保持することができる。例えば、このような半導体装置を記憶素子として用いることにより、電源供給無しで長時間の記憶保持を行うことができる。よって、リフレッシュ動作の頻度が少ない、またはリフレッシュ動作を必要としない記憶装置を提供することができる。
なお、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００の接続関係は、図４３（Ａ）（Ｂ）に示すものに限定されない。必要な回路構成に応じて適宜接続関係を変更することができる。
＜記憶装置２の構造＞
図４３（Ｂ）は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図４３に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
本発明の一態様の記憶装置は、図４３に示すようにトランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００は同一層に設けられ、容量素子１００はトランジスタ２００、およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
なお、容量素子１００、およびトランジスタ２００としては、先の実施の形態、ならびに図４０および図４２で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図４３に示す容量素子１００、トランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
トランジスタ４００は、トランジスタ２００と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ４００は、トップゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５と、導電体４６０と接する絶縁体４７２と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５は、配線として機能する導電体４０３と、電気的に接続されている。
トランジスタ４００において、導電体４０５は、導電体２０５と、同じ層である。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａは、酸化物２３０ａと、同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂは、酸化物２３０ｂと、同じ層である。酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃと同じ層である。絶縁体４５０は、絶縁体２５０と、同じ層である。導電体４６０は、導電体２６０と、同じ層である。また、絶縁体４７０は、絶縁体２７０と、同じ層である。また、絶縁体４７２は、絶縁体２７２と、同じ層である。
トランジスタ４００の活性層として機能する酸化物４３０ｃは、酸化物２３０などと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流を非常に小さくすることができる。
また、上記の通り、酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａは、酸化物２３０ａと同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂは、酸化物２３０ｂと同じ層である。よって、酸化物４３１ａ、酸化物４３２ａ、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂには、領域２３１ａおよび領域２３１ｂに相当する低抵抗領域が形成されている。
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
＜記憶装置３＞
図４４に示す半導体装置は、トランジスタ３００、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図４４を用いて説明する。
トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタであり、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ２００の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
図４４において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００のトップゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のボトムゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
図４４において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００のゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のバックゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。配線１００７はトランジスタ４００のソースと電気的に接続され、配線１００８はトランジスタ４００のゲートと電気的に接続され、配線１００９はトランジスタ４００のバックゲートと電気的に接続され、配線１０１０はトランジスタ４００のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線１００６、配線１００７、配線１００８、及び配線１００９が電気的に接続されている。
図４４に示す半導体装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線１００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、第３の配線１００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＳＮに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、第４の配線１００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＳＮに電荷が保持される（保持）。
トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＳＮの電荷は長期間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線１００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線１００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線１００２は、ノードＳＮに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために必要な第５の配線１００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線１００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＳＮに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＳＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線１００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は「導通状態」となる。一方、ノードＳＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線１００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線１００２の電位を判別することで、ノードＳＮに保持されている情報を読み出すことができる。
＜記憶装置３の構造＞
図４４は、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図４４に示す記憶装置において、先の実施の形態、＜記憶装置１の構造＞、および＜記憶装置２の構造＞、に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
本発明の一態様の記憶装置は、図４４に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
なお、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００としては、先の実施の形態、および図４０乃至図４３で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図４４に示す容量素子１００、トランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
図４４に示す記憶装置では、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２７３、および絶縁体２８０に、開口部５００を設け、絶縁体２１０と絶縁体２８２を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００は、絶縁体２１０と絶縁体２８２に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部５００は設けなくてもよい。
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
＜メモリセルアレイの構造＞
本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図４５に示す。トランジスタ２００をメモリセルとして、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
なお、図４５に示す記憶装置は、図４０、および図４４に示す記憶装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成する半導体装置である。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００のバックゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ４００は、トランジスタ２００よりも、少ない個数を設けるとよい。
従って、図４５には、図４４に示すトランジスタ４００は省略する。図４５は、図４０、および図４４に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。
また、図４４と、トランジスタ３００の構成が異なる。図４５に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦｉｎ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
図４５に示す記憶装置では、メモリセル６５０ａとメモリセル６５０ｂが隣接して配置されている。メモリセル６５０ａおよびメモリセル６５０ｂは、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有し、配線１００１、配線１００２、配線１００３、配線１００４、配線１００５、および配線１００６と電気的に接続される。また、メモリセル６５０ａおよびメモリセル６５０ｂにおいても、同様にトランジスタ３００のゲートと、容量素子１００の電極の一方と、が電気的に接続するノードを、ノードＳＮとする。なお、配線１００２は隣接するメモリセル６５０ａとメモリセル６５０ｂで共通の配線である。
メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、メモリセルアレイがＮＯＲ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を非導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＳＮに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線１００５に与えればよい。または、例えば、メモリセルアレイがＮＡＮＤ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＳＮに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線１００５に与えればよい。
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、消費電力を低減することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態に示す半導体装置を用いたインバータ回路について説明を行う。なお、本明細書中において、高電源電圧をＨレベル（又はＶＤＤ）、低電源電圧をＬレベル（又はＧＮＤ）と呼ぶ場合がある。
＜インバータ回路の構成例＞
図４６（Ａ）に示す回路ＩＮＶは、容量素子Ｃ１と、直列に接続されたトランジスタＭ１、トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３と、を有する。回路ＩＮＶは、インバータ回路としての機能を有する。
トランジスタＭ１乃至Ｍ３はｎチャネル型トランジスタである。回路ＩＮＶはｎチャネル型のトランジスタのみで構成されているので、ＣＭＯＳトランジスタで構成されるインバータ回路と比べて、製造コストを低減させることができる。
トランジスタＭ１乃至Ｍ３として、上記実施の形態に示す半導体装置が有するトランジスタ２００などを用いることが好ましい。
トランジスタＭ１は、互いに電気的に接続された第１ゲートと第２ゲートを有する。第１ゲートと第２ゲートとは半導体層を間に介して互いに重なる領域を有する。トランジスタＭ２、Ｍ３についても同様である。なお、第１ゲートをフロントゲート、第２ゲートをバックゲートという場合がある。
回路ＩＮＶは、端子ＩＮ、端子ＯＵＴ、端子ＣＬＫおよび端子ＣＬＫＢを有する。端子ＩＮは入力端子として機能し、端子ＯＵＴは出力端子として機能する。端子ＣＬＫはクロック信号が入力され、端子ＣＬＫＢは端子ＣＬＫに入力されるクロック信号の反転信号が入力される。
また、回路ＩＮＶは、電源電圧としてＶＤＤ、ＶＳＳが供給される。ＶＤＤは、高電源電圧であり、トランジスタＭ１のドレインに入力される。ＶＳＳは、低電源電圧であり、トランジスタＭ３のソースに入力される。
トランジスタＭ１において、フロントゲートおよびバックゲートは端子ＣＬＫに電気的に接続され、ソースはトランジスタＭ２のドレインに電気的に接続される。
トランジスタＭ２において、フロントゲートおよびバックゲートは端子ＣＬＫＢに電気的に接続され、ソースはトランジスタＭ３のドレインに電気的に接続される。
トランジスタＭ３において、フロントゲートおよびバックゲートは端子ＩＮに電気的に接続される。
容量素子Ｃ１の第１端子はトランジスタＭ１のソースに電気的に接続される。容量素子Ｃ１の第２端子はＶＳＳが入力される。
端子ＯＵＴは、トランジスタＭ１のソース、トランジスタＭ２のドレインおよび容量素子Ｃ１の第１端子に電気的に接続される。
なお、容量素子Ｃ１は配線の寄生容量やトランジスタのゲート容量で代用してもよい。その場合、これら半導体装置の占有面積を小さくすることができる。
次に、回路ＩＮＶの動作について説明を行う。
図４６（Ｂ）は回路ＩＮＶの動作を説明するためのタイミングチャートである。それぞれ、端子ＩＮ、ＣＬＫ、ＣＬＫＢ、ＯＵＴの電位変化を表している。また、図４６（Ｂ）を期間Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の３つの期間に分類している。
端子ＩＮは、期間Ｐ１乃至Ｐ３の間、Ｈレベルが与えられている。すなわち、期間Ｐ１乃至Ｐ３において、トランジスタＭ３はオンになっている。
期間Ｐ１において、端子ＣＬＫに電位ＶＨが入力され、端子ＣＬＫＢに電位ＶＬが入力される。トランジスタＭ１はオンになり、トランジスタＭ２はオフになる。このとき、容量素子Ｃ１にＶＤＤが供給され、容量素子Ｃ１は充電（プリチャージ）を開始する。
なお、ＶＨは、ＶＤＤとトランジスタＭ１のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を足し合わせた電圧（ＶＤＤ＋Ｖｔｈ）以上にすることが好ましい。そうすることで、端子ＯＵＴにＶＤＤを正確に伝えることができる。ＶＬは低電源電圧（又はＧＮＤ）とすればよい。なお、ＶＨを高電位、ＶＬを低電位と呼ぶ場合もある。
期間Ｐ２において、端子ＣＬＫにＶＬが入力され、端子ＣＬＫＢにＶＨが入力される。トランジスタＭ１はオフになり、トランジスタＭ２はオンになる。このとき、トランジスタＭ３はオンであるため、容量素子Ｃ１の第１端子とトランジスタＭ３のソースが導通状態になり、容量素子Ｃ１は放電を開始する。最終的に端子ＯＵＴはＬレベルを出力する。すなわち、端子ＯＵＴは端子ＩＮに入力された信号の反転信号を出力する。
期間Ｐ３において、端子ＣＬＫにＶＨが入力され、端子ＣＬＫＢにＶＬが入力される。トランジスタＭ１はオンになり、トランジスタＭ２はオフになる。期間Ｐ１と同様に、容量素子Ｃ１は再びプリチャージを開始する。
期間Ｐ１乃至Ｐ３における端子ＩＮの入力をＬレベルとした場合、期間Ｐ２において、端子ＯＵＴはＨレベルを出力する。すなわち、端子ＯＵＴは端子ＩＮに入力された信号の反転信号を出力する。
以上より、回路ＩＮＶは端子ＣＬＫがＶＨのときに容量素子Ｃ１のプリチャージを行い、端子ＣＬＫがＶＬのときにインバータ回路として動作することがわかる。
また、回路ＩＮＶは、容量素子Ｃ１の充電と放電を繰り返すことで動作するダイナミックロジック回路として機能することがわかる。トランジスタＭ１は容量素子Ｃ１を充電するプリチャージ用のトランジスタとして機能し、トランジスタＭ２は容量素子Ｃ１に蓄積された電荷を放電するディスチャージ用のトランジスタとして機能する。
トランジスタＭ１乃至Ｍ３は、オフ電流が小さいトランジスタを用いることが好ましい。オフ電流が小さいトランジスタとして、チャネル形成領域に金属酸化物または酸化物半導体を用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ）が挙げられる。なお、ここでオフ電流が小さいとは、トランジスタのオフ電流が、好ましくは１０−１８Ａ／μｍ以下、さらに好ましくは１０−２１Ａ／μｍ以下、さらに好ましくは１０−２４Ａ／μｍ以下のことを言う。
トランジスタＭ１乃至Ｍ３にＯＳトランジスタを用いることで、回路ＩＮＶは貫通電流を小さくすることができる。その結果、回路ＩＮＶは消費電力を低減させることができる。
また、トランジスタＭ１乃至Ｍ３にＯＳトランジスタを用いることで、容量素子Ｃ１にプリチャージされた電荷が、リーク電流によって失われずに済む。その結果、回路ＩＮＶはより正確にデータを伝えることができる。
トランジスタＭ１は、フロントゲートとバックゲートを電気的に接続することで、フロントゲートとバックゲートから同時に半導体層にゲート電圧を印加することが可能になり、オン電流を増大させることができる。トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３についても同様である。その結果、回路ＩＮＶは、動作周波数の高いインバータ回路を実現することができる。
回路ＩＮＶは、端子ＩＮをトランジスタＭ２のフロントゲートおよびバックゲートに電気的に接続し、端子ＣＬＫＢをトランジスタＭ３のフロントゲートおよびバックゲートに電気的に接続してもよい。
また、トランジスタＭ１乃至Ｍ３がそれぞれ有するバックゲートは、トップゲートと異なる電位を与えてもよい。例えば、トランジスタＭ１乃至Ｍ３がそれぞれ有するバックゲートに共通の固定電位を与えてもよい。そうすることで、回路ＩＮＶは、トランジスタＭ１乃至Ｍ３のしきい値電圧を制御することができる。
また、回路ＩＮＶは、場合によっては、トランジスタＭ１乃至Ｍ３のバックゲートを全て省略してもよい。その場合、回路ＩＮＶは製造工程を簡略化することができる。
以上、回路ＩＮＶは消費電力が小さく単極性のトランジスタで構成されるインバータ回路を提供することができる。また、動作周波数が高く単極性のトランジスタで構成されるインバータ回路を提供することができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、図４７乃至図４９を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ。）、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＮＯＳＲＡＭについて説明する。ＮＯＳＲＡＭ（登録商標）とは「Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ」の略称であり、ゲインセル型（２Ｔ型、３Ｔ型）のメモリセルを有するＲＡＭを指す。なお、以下において、ＮＯＳＲＡＭのようにＯＳトランジスタを用いたメモリ装置を、ＯＳメモリと呼ぶ場合がある。
ＮＯＳＲＡＭでは、メモリセルにＯＳトランジスタが用いられるメモリ装置（以下、「ＯＳメモリ」と呼ぶ。）が適用されている。ＯＳメモリは、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有するメモリである。ＯＳトランジスタが極小オフ電流のトランジスタであるので、ＯＳメモリは優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
＜＜ＮＯＳＲＡＭ＞＞
図４７にＮＯＳＲＡＭの構成例を示す。図４７に示すＮＯＳＲＡＭ１６００は、メモリセルアレイ１６１０、コントローラ１６４０、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、出力ドライバ１６７０を有する。なお、ＮＯＳＲＡＭ１６００は、１のメモリセルで多値データを記憶する多値ＮＯＳＲＡＭである。
メモリセルアレイ１６１０は複数のメモリセル１６１１、複数のワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬを有する。ワード線ＷＷＬは書き込みワード線であり、ワード線ＲＷＬは読み出しワード線である。ＮＯＳＲＡＭ１６００では、１のメモリセル１６１１で３ビット（８値）のデータを記憶する。
コントローラ１６４０は、ＮＯＳＲＡＭ１６００全体を統括的に制御し、データＷＤＡ［３１：０］の書き込み、データＲＤＡ［３１：０］の読み出しを行う。コントローラ１６４０は、外部からのコマンド信号（例えば、チップイネーブル信号、書き込みイネーブル信号など）を処理して、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０および出力ドライバ１６７０の制御信号を生成する。
行ドライバ１６５０は、アクセスする行を選択する機能を有する。行ドライバ１６５０は、行デコーダ１６５１、およびワード線ドライバ１６５２を有する。
列ドライバ１６６０は、ソース線ＳＬおよびビット線ＢＬを駆動する。列ドライバ１６６０は、列デコーダ１６６１、書き込みドライバ１６６２、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換回路）１６６３を有する。
ＤＡＣ１６６３は３ビットのデジタルデータをアナログ電圧に変換する。ＤＡＣ１６６３は３２ビットのデータＷＤＡ［３１：０］を３ビットごとに、アナログ電圧に変換する。
書き込みドライバ１６６２は、ソース線ＳＬをプリチャージする機能、ソース線ＳＬを電気的に浮遊状態にする機能、ソース線ＳＬを選択する機能、選択されたソース線ＳＬにＤＡＣ１６６３で生成した書き込み電圧を入力する機能、ビット線ＢＬをプリチャージする機能、ビット線ＢＬを電気的に浮遊状態にする機能等を有する。
出力ドライバ１６７０は、セレクタ１６７１、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換回路）１６７２、出力バッファ１６７３を有する。セレクタ１６７１は、アクセスするソース線ＳＬを選択し、選択されたソース線ＳＬの電圧をＡＤＣ１６７２に送信する。ＡＤＣ１６７２は、アナログ電圧を３ビットのデジタルデータに変換する機能を持つ。ソース線ＳＬの電圧はＡＤＣ１６７２において、３ビットのデータに変換され、出力バッファ１６７３はＡＤＣ１６７２から出力されるデータを保持する。
なお、本実施の形態に示す、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、および出力ドライバ１６７０の構成は、上記に限定されるものではない。メモリセルアレイ１６１０の構成または駆動方法などに応じて、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の配置を変更してもよいし、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の有する機能を変更または追加してもよい。例えば、上記のソース線ＳＬが有する機能の一部を、ビット線ＢＬに有せしめる構成にしてもよい。
なお、上記においては、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を３ビットとしたが、本実施の形態に示す記憶装置の構成はこれに限られない。各メモリセル１６１１に保持させる情報量を２ビット以下にしてもよいし、４ビット以上にしてもよい。例えば、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を１ビットにする場合、ＤＡＣ１６６３およびＡＤＣ１６７２を設けない構成にしてもよい。
＜メモリセル＞
図４８（Ａ）はメモリセル１６１１の構成例を示す回路図である。メモリセル１６１１は２Ｔ型のゲインセルであり、メモリセル１６１１はワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１１は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６１、トランジスタＭＰ６１、容量素子Ｃ６１を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６１は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６１は読み出しトランジスタであり、例えばｐチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。容量素子Ｃ６１はノードＳＮの電圧を保持するための保持容量である。ノードＳＮはデータの保持ノードであり、ここではトランジスタＭＰ６１のゲートに相当する。
メモリセル１６１１の書き込みトランジスタがＯＳトランジスタＭＯ６１で構成されているため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は長時間データを保持することが可能である。
図４８（Ａ）の例では、ビット線は、書き込みと読み出しで共通のビット線であるが、図４８（Ｂ）に示すように、書き込みビット線として機能する、ビット線ＷＢＬと、読み出しビット線として機能する、ビット線ＲＢＬとを設けてもよい。
図４８（Ｃ）−図４８（Ｅ）にメモリセルの他の構成例を示す。図４８（Ｃ）−図４８（Ｅ）には、書き込み用のビット線ＷＢＬと読み出し用のビット線ＲＢＬを設けた例を示しているが、図４８（Ａ）のように書き込みと読み出しで共有されるビット線を設けてもよい。
図４８（Ｃ）に示すメモリセル１６１２は、メモリセル１６１１の変形例であり、読み出しトランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６１）に変更したものである。トランジスタＭＮ６１はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
メモリセル１６１１、１６１２において、ＯＳトランジスタＭＯ６１はバックゲートの無いＯＳトランジスタであってもよい。
図４８（Ｄ）に示すメモリセル１６１３は、３Ｔ型ゲインセルであり、ワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＷＢＬ、ＲＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬ、ＰＣＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１３は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６２、トランジスタＭＰ６２、トランジスタＭＰ６３、容量素子Ｃ６２を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６２は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６２は読み出しトランジスタであり、トランジスタＭＰ６３は選択トランジスタである。
図４８（Ｅ）に示すメモリセル１６１４は、メモリセル１６１３の変形例であり、読み出しトランジスタおよび選択トランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６２、ＭＮ６３）に変更したものである。トランジスタＭＮ６２、ＭＮ６３はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
メモリセル１６１１−１６１４に設けられるＯＳトランジスタは、バックゲートの無いトランジスタでもよいし、バックゲートが有るトランジスタであってもよい。
上記においては、メモリセル１６１１などが並列に接続された、いわゆるＮＯＲ型の記憶装置について説明したが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。例えば、以下に示すようなメモリセル１６１５が直列に接続された、いわゆるＮＡＮＤ型の記憶装置にしてもよい。
図４９はＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０の構成例を示す回路図である。図４９に示すメモリセルアレイ１６１０は、ソース線ＳＬ、ビット線ＲＢＬ、ビット線ＷＢＬ、ワード線ＷＷＬ、ワード線ＲＷＬ、配線ＢＧＬ、およびメモリセル１６１５を有する。メモリセル１６１５は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６３、トランジスタＭＮ６４、容量素子Ｃ６３を有する。ここで、トランジスタＭＮ６４は、例えばｎチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。これに限られず、トランジスタＭＮ６４は、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタ、であってもよいし、ＯＳトランジスタであってもよい。
以下では、図４９に示すメモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂを例として説明する。ここで、メモリセル１６１５ａまたはメモリセル１６１５ｂのいずれかに接続する配線、または回路素子の符号については、ａまたはｂの符号を付して表す。
メモリセル１６１５ａにおいて、トランジスタＭＮ６４ａのゲートと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのソースおよびドレインの一方と、容量素子Ｃ６３ａの電極の一方とは、電気的に接続されている。また、ビット線ＷＢＬとＯＳトランジスタＭＯ６３ａのソースおよびドレインの他方とは、電気的に接続されている。また、ワード線ＷＷＬａと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのゲートとは、電気的に接続されている。また、配線ＢＧＬａと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのバックゲートとは、電気的に接続されている。そして、ワード線ＲＷＬａと、容量素子Ｃ６３ａの電極の他方は電気的に接続されている。
メモリセル１６１５ｂは、ビット線ＷＢＬとのコンタクト部を対称の軸として、メモリセル１６１５ａと対称的に設けることができる。よって、メモリセル１６１５ｂに含まれる回路素子も、上記メモリセル１６１５ａと同じように配線と接続される。
さらに、メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのソースは、メモリセル１６１５ｂのトランジスタＭＮ６４ｂのドレインと電気的に接続される。メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのドレインは、ビット線ＲＢＬと電気的に接続される。メモリセル１６１５ｂが有するトランジスタＭＮ６４ｂのソースは、複数のメモリセル１６１５が有するトランジスタＭＮ６４を介してソース線ＳＬと電気的に接続される。このように、ＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０では、ビット線ＲＢＬとソース線ＳＬの間に、複数のトランジスタＭＮ６４が直列に接続される。
図４９に示すメモリセルアレイ１６１０を有する記憶装置では、同じワード線ＷＷＬ（またはワード線ＲＷＬ）に接続された複数のメモリセル（以下、メモリセル列と呼ぶ。）ごとに、書き込み動作および読み出し動作を行う。例えば、書き込み動作は次のように行うことができる。書き込みを行うメモリセル列に接続されたワード線ＷＷＬにＯＳトランジスタＭＯ６３がオン状態となる電位を与え、書き込みを行うメモリセル列のＯＳトランジスタＭＯ６３をオン状態にする。これにより、指定したメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートおよび容量素子Ｃ６３の電極の一方にビット線ＷＢＬの電位が与えられ、該ゲートに所定の電荷が与えられる。それから当該メモリセル列のＯＳトランジスタＭＯ６３をオフ状態にすると、該ゲートに与えられた所定の電荷を保持することができる。このようにして、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５にデータを書き込むことができる。
また、例えば、読み出し動作は次のように行うことができる。まず、読み出しを行うメモリセル列に接続されていないワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートに与えられた電荷によらず、トランジスタＭＮ６４がオン状態となるような電位を与え、読み出しを行うメモリセル列以外のトランジスタＭＮ６４をオン状態とする。それから、読み出しを行うメモリセル列に接続されたワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタＭＮ６４のオン状態またはオフ状態が選択されるような電位（読み出し電位）を与える。そして、ソース線ＳＬに定電位を与え、ビット線ＲＢＬに接続されている読み出し回路を動作状態とする。ここで、ソース線ＳＬ−ビット線ＲＢＬ間の複数のトランジスタＭＮ６４は、読み出しを行うメモリセル列を除いてオン状態となっているため、ソース線ＳＬ−ビット線ＲＢＬ間のコンダクタンスは、読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４の状態（オン状態またはオフ状態）によって決定される。読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタのコンダクタンスは異なるから、それに応じて、ビット線ＲＢＬの電位は異なる値をとることになる。ビット線ＲＢＬの電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５から情報を読み出すことができる。
容量素子Ｃ６１、容量素子Ｃ６２、または容量素子Ｃ６３の充放電によってデータを書き換えるため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、長時間データを保持することが可能であるので、リフレッシュ頻度を低減できる。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１６１１、１６１２、１６１３、１６１４、１６１５に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ６１、ＭＯ６２、ＭＯ６３としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ６３として容量素子１００を用い、トランジスタＭＰ６１、ＭＰ６２、ＭＰ６３、ＭＮ６１、ＭＮ６２、ＭＮ６３、ＭＮ６４としてトランジスタ３００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置をさらに高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、図５０および図５１を用いて、本発明の一態様に係る、ＯＳトランジスタ、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＤＯＳＲＡＭについて説明する。ＤＯＳＲＡＭ（登録商標）とは、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ」の略称であり、１Ｔ（トランジスタ）１Ｃ（容量）型のメモリセルを有するＲＡＭを指す。ＤＯＳＲＡＭも、ＮＯＳＲＡＭと同様に、ＯＳメモリが適用されている。
＜＜ＤＯＳＲＡＭ１４００＞＞
図５０にＤＯＳＲＡＭの構成例を示す。図５０に示すように、ＤＯＳＲＡＭ１４００は、コントローラ１４０５、行回路１４１０、列回路１４１５、メモリセルおよびセンスアンプアレイ１４２０（以下、「ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０」と呼ぶ。）を有する。
行回路１４１０はデコーダ１４１１、ワード線ドライバ回路１４１２、列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４を有する。列回路１４１５はグローバルセンスアンプアレイ１４１６、入出力回路１４１７を有する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は複数のグローバルセンスアンプ１４４７を有する。ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０はメモリセルアレイ１４２２、センスアンプアレイ１４２３、グローバルビット線ＧＢＬＬ、ＧＢＬＲを有する。
（ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０）
ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０は、メモリセルアレイ１４２２をセンスアンプアレイ１４２３上に積層した積層構造をもつ。グローバルビット線ＧＢＬＬ、ＧＢＬＲはメモリセルアレイ１４２２上に積層されている。ＤＯＳＲＡＭ１４００では、ビット線の構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。
メモリセルアレイ１４２２は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のローカルメモリセルアレイ１４２５＜０＞−１４２５＜Ｎ−１＞を有する。図５１（Ａ）にローカルメモリセルアレイ１４２５の構成例を示す。ローカルメモリセルアレイ１４２５は、複数のメモリセル１４４５、複数のワード線ＷＬ、複数のビット線ＢＬＬ、ＢＬＲを有する。図５１（Ａ）の例では、ローカルメモリセルアレイ１４２５の構造はオープンビット線型であるが、フォールデッドビット線型であってもよい。
図５１（Ｂ）に共通のビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される、ペア状の一組のメモリセル１４４５ａおよびメモリセル１４４５ｂの回路構成例を示す。メモリセル１４４５ａはトランジスタＭＷ１ａ、容量素子ＣＳ１ａ、端子Ｂ１ａ、Ｂ２ａを有し、ワード線ＷＬａ、ビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される。また、メモリセル１４４５ｂはトランジスタＭＷ１ｂ、容量素子ＣＳ１ｂ、端子Ｂ１ｂ、Ｂ２ｂを有し、ワード線ＷＬｂ、ビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される。なお、以下において、メモリセル１４４５ａおよびメモリセル１４４５ｂのいずれかを特に限定しない場合は、メモリセル１４４５およびそれに付属する構成にａまたはｂの符号を付さない場合がある。
トランジスタＭＷ１ａは容量素子ＣＳ１ａの充放電を制御する機能をもち、トランジスタＭＷ１ｂは容量素子ＣＳ１ｂの充放電を制御する機能をもつ。トランジスタＭＷ１ａのゲートはワード線ＷＬａに電気的に接続され、第１端子はビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ａの第１端子に電気的に接続されている。また、トランジスタＭＷ１ｂのゲートはワード線ＷＬｂに電気的に接続され、第１端子はビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ｂの第１端子に電気的に接続されている。このように、ビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）がトランジスタＭＷ１ａの第１端子とトランジスタＭＷ１ｂの第１端子に共通で用いられる。
トランジスタＭＷ１は容量素子ＣＳ１の充放電を制御する機能をもつ。容量素子ＣＳ１の第２端子は端子Ｂ２に電気的に接続されている。端子Ｂ２には、定電圧（例えば、低電源電圧）が入力される。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４４５ａ、１４４５ｂに用いる場合、トランジスタＭＷ１ａとしてトランジスタ２００ａ、トランジスタＭＷ１ｂとしてトランジスタ２００ｂを用い、容量素子ＣＳ１ａとして容量素子１００ａを用い、容量素子ＣＳ１ｂとして容量素子１００ｂを用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置を高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
トランジスタＭＷ１はバックゲートを備えており、バックゲートは端子Ｂ１に電気的に接続されている。そのため、端子Ｂ１の電圧によって、トランジスタＭＷ１の閾値電圧を変更することができる。例えば、端子Ｂ１の電圧は固定電圧（例えば、負の定電圧）であってもよいし、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作に応じて、端子Ｂ１の電圧を変化させてもよい。
トランジスタＭＷ１のバックゲートをトランジスタＭＷ１のゲート、ソース、またはドレインに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭＷ１にバックゲートを設けなくてもよい。
センスアンプアレイ１４２３は、Ｎ個のローカルセンスアンプアレイ１４２６＜０＞−１４２６＜Ｎ−１＞を有する。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、１のスイッチアレイ１４４４、複数のセンスアンプ１４４６を有する。センスアンプ１４４６には、ビット線対が電気的に接続されている。センスアンプ１４４６は、ビット線対をプリチャージする機能、ビット線対の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。スイッチアレイ１４４４は、ビット線対を選択し、選択したビット線対とグローバルビット線対と間を導通状態にする機能を有する。
ここで、ビット線対とは、センスアンプによって、同時に比較される２本のビット線のことをいう。グローバルビット線対とは、グローバルセンスアンプによって、同時に比較される２本のグローバルビット線のことをいう。ビット線対を一対のビット線と呼ぶことができ、グローバルビット線対を一対のグローバルビット線と呼ぶことができる。ここでは、ビット線ＢＬＬとビット線ＢＬＲが１組のビット線対を成す。グローバルビット線ＧＢＬＬとグローバルビット線ＧＢＬＲとが１組のグローバルビット線対をなす。以下、ビット線対（ＢＬＬ，ＢＬＲ）、グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）とも表す。
（コントローラ１４０５）
コントローラ１４０５は、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ１４０５は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路１４１０、列回路１４１５の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内部アドレス信号を生成する機能を有する。
（行回路１４１０）
行回路１４１０は、ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０を駆動する機能を有する。デコーダ１４１１はアドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路１４１２は、アクセス対象行のワード線ＷＬを選択する選択信号を生成する。
列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４はセンスアンプアレイ１４２３を駆動するための回路である。列セレクタ１４１３は、アクセス対象列のビット線を選択するための選択信号を生成する機能をもつ。列セレクタ１４１３の選択信号によって、各ローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４が制御される。センスアンプドライバ回路１４１４の制御信号によって、複数のローカルセンスアンプアレイ１４２６は独立して駆動される。
（列回路１４１５）
列回路１４１５は、データ信号ＷＤＡ［３１：０］の入力を制御する機能、データ信号ＲＤＡ［３１：０］の出力を制御する機能を有する。データ信号ＷＤＡ［３１：０］は書き込みデータ信号であり、データ信号ＲＤＡ［３１：０］は読み出しデータ信号である。
グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）に電気的に接続されている。グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）間の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）へのデータの書き込み、および読み出しは、入出力回路１４１７によって行われる。
ＤＯＳＲＡＭ１４００の書き込み動作の概要を説明する。入出力回路１４１７によって、データがグローバルビット線対に書き込まれる。グローバルビット線対のデータは、グローバルセンスアンプアレイ１４１６によって保持される。アドレスが指定するローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４によって、グローバルビット線対のデータが、対象列のビット線対に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、書き込まれたデータを増幅し、保持する。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、行回路１４１０によって、対象行のワード線ＷＬが選択され、選択行のメモリセル１４４５にローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データが書き込まれる。
ＤＯＳＲＡＭ１４００の読み出し動作の概要を説明する。アドレス信号によって、ローカルメモリセルアレイ１４２５の１行が指定される。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、対象行のワード線ＷＬが選択状態となり、メモリセル１４４５のデータがビット線に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６によって、各列のビット線対の電圧差がデータとして検出され、かつ保持される。スイッチアレイ１４４４によって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データの内、アドレスが指定する列のデータが、グローバルビット線対に書き込まれる。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は、グローバルビット線対のデータを検出し、保持する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６の保持データは入出力回路１４１７に出力される。以上で、読み出し動作が完了する。
容量素子ＣＳ１の充放電によってデータを書き換えるため、ＤＯＳＲＡＭ１４００には原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、メモリセル１４４５の回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。
トランジスタＭＷ１はＯＳトランジスタである。ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、容量素子ＣＳ１から電荷がリークすることを抑えることができる。したがって、ＤＯＳＲＡＭ１４００の保持時間はＤＲＡＭに比べて非常に長い。したがってリフレッシュの頻度を低減できるため、リフレッシュ動作に要する電力を削減できる。よって、ＤＯＳＲＡＭ１４００は大容量のデータを高頻度で書き換えるメモリ装置、例えば、画像処理に利用されるフレームメモリに好適である。
ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０が積層構造であることよって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の長さと同程度の長さにビット線を短くすることができる。ビット線を短くすることで、ビット線容量が小さくなり、メモリセル１４４５の保持容量を低減することができる。また、ローカルセンスアンプアレイ１４２６にスイッチアレイ１４４４を設けることで、長いビット線の本数を減らすことができる。以上の理由から、ＤＯＳＲＡＭ１４００のアクセス時に駆動する負荷が低減され、消費電力を低減することができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態７）
本実施の形態では、図５２から図５５を用いて、本発明の一態様に係る、ＯＳトランジスタ、および容量素子が適用されている半導体装置の一例として、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）について説明する。本実施の形態のＦＰＧＡは、コンフィギュレーションメモリ、およびレジスタにＯＳメモリが適用されている。ここでは、このようなＦＰＧＡを「ＯＳ−ＦＰＧＡ」と呼ぶ。
＜＜ＯＳ−ＦＰＧＡ＞＞
図５２（Ａ）にＯＳ−ＦＰＧＡの構成例を示す。図５２（Ａ）に示すＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０は、マルチコンテキスト構造によるコンテキスト切り替え、細粒度パワーゲーティング、ＮＯＦＦ（ノーマリーオフ）コンピューティングが可能である。ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０は、コントローラ３１１１、ワードドライバ３１１２、データドライバ３１１３、プログラマブルエリア３１１５を有する。
プログラマブルエリア３１１５は、２個の入出力ブロック（ＩＯＢ）３１１７、コア３１１９を有する。ＩＯＢ３１１７は複数のプログラマブル入出力回路を有する。コア３１１９は、複数のロジックアレイブロック（ＬＡＢ）３１２０、複数のスイッチアレイブロック（ＳＡＢ）３１３０を有する。ＬＡＢ３１２０は複数のＰＬＥ３１２１を有する。図５２（Ｂ）には、ＬＡＢ３１２０を５個のＰＬＥ３１２１で構成する例を示す。図５２（Ｃ）に示すようにＳＡＢ３１３０はアレイ状に配列された複数のスイッチブロック（ＳＢ）３１３１を有する。ＬＡＢ３１２０は自身の入力端子と、ＳＡＢ３１３０を介して４（上下左右）方向のＬＡＢ３１２０に接続される。
図５３（Ａ）乃至図５３（Ｃ）を参照して、ＳＢ３１３１について説明する。図５３（Ａ）に示すＳＢ３１３１には、ｄａｔａ、ｄａｔａｂ、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１：０］、ｗｏｒｄ［１：０］が入力される。ｄａｔａ、ｄａｔａｂはコンフィギュレーションデータであり、ｄａｔａとｄａｔａｂは論理が相補的な関係にある。ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０のコンテキスト数は２であり、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１：０］はコンテキスト選択信号である。信号ｗｏｒｄ［１：０］はワード線選択信号であり、信号ｗｏｒｄ［１：０］が入力される配線がそれぞれワード線である。
ＳＢ３１３１は、ＰＲＳ（プログラマブルルーティングスイッチ）３１３３［０］、３１３３［１］を有する。ＰＲＳ３１３３［０］、３１３３［１］は、相補データを格納できるコンフィギュレーションメモリ（ＣＭ）を有する。なお、ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とを区別しない場合、ＰＲＳ３１３３と呼ぶ。他の要素についても同様である。
図５３（Ｂ）にＰＲＳ３１３３［０］の回路構成例を示す。ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とは同じ回路構成を有する。ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とは入力されるコンテキスト選択信号、ワード線選択信号が異なる。信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］、ｗｏｒｄ［０］はＰＲＳ３１３３［０］に入力され、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１］、ｗｏｒｄ［１］はＰＲＳ３１３３［１］に入力される。例えば、ＳＢ３１３１において、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”になることで、ＰＲＳ３１３３［０］がアクティブになる。
ＰＲＳ３１３３［０］は、ＣＭ３１３５、ＳｉトランジスタＭ３１を有する。ＳｉトランジスタＭ３１は、ＣＭ３１３５により制御されるパストランジスタである。ＣＭ３１３５は、メモリ回路３１３７、３１３７Ｂを有する。メモリ回路３１３７、３１３７Ｂは同じ回路構成である。メモリ回路３１３７は、容量素子Ｃ３１、ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯ３２を有する。メモリ回路３１３７Ｂは、容量素子ＣＢ３１、ＯＳトランジスタＭＯＢ３１、ＭＯＢ３２を有する。
上記実施の形態に示す半導体装置をＳＡＢ３１３０に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯＢ３１としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ３１、ＣＢ３１として容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。
ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯ３２、ＭＯＢ３１、ＭＯＢ３２はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。
ＳｉトランジスタＭ３１のゲートがノードＮ３１であり、ＯＳトランジスタＭＯ３２のゲートがノードＮ３２であり、ＯＳトランジスタＭＯＢ３２のゲートがノードＮＢ３２である。ノードＮ３２、ＮＢ３２はＣＭ３１３５の電荷保持ノードである。ＯＳトランジスタＭＯ３２はノードＮ３１と信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］用の信号線との間の導通状態を制御する。ＯＳトランジスタＭＯＢ３２はノードＮ３１と低電位電源線ＶＳＳとの間の導通状態を制御する。
メモリ回路３１３７、３１３７Ｂが保持するデータは相補的な関係にある。したがって、ＯＳトランジスタＭＯ３２またはＭＯＢ３２の何れか一方が導通する。
図５３（Ｃ）を参照して、ＰＲＳ３１３３［０］の動作例を説明する。ＰＲＳ３１３３［０］にコンフィギュレーションデータが既に書き込まれており、ＰＲＳ３１３３［０］のノードＮ３２は“Ｈ”であり、ノードＮＢ３２は“Ｌ”である。
信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｌ”である間はＰＲＳ３１３３［０］は非アクティブである。この期間に、ＰＲＳ３１３３［０］の入力端子が“Ｈ”に遷移しても、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは“Ｌ”が維持され、ＰＲＳ３１３３［０］の出力端子も“Ｌ”が維持される。
信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”である間はＰＲＳ３１３３［０］はアクティブである。信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”に遷移すると、ＣＭ３１３５が記憶するコンフィギュレーションデータによって、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは“Ｈ”に遷移する。
ＰＲＳ３１３３［０］がアクティブである期間に、入力端子が“Ｈ”に遷移すると、メモリ回路３１３７のＯＳトランジスタＭＯ３２がソースフォロアであるために、ブースティングによってＳｉトランジスタＭ３１のゲート電圧は上昇する。その結果、メモリ回路３１３７のＯＳトランジスタＭＯ３２は駆動能力を失い、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは浮遊状態となる。
マルチコンテキスト機能を備えるＰＲＳ３１３３において、ＣＭ３１３５はマルチプレクサの機能を併せ持つ。
図５４にＰＬＥ３１２１の構成例を示す。ＰＬＥ３１２１はＬＵＴ（ルックアップテーブル）ブロック３１２３、レジスタブロック３１２４、セレクタ３１２５、ＣＭ３１２６を有する。ＬＵＴブロック３１２３は、入力ｉｎＡ−ｉｎＤに従って内部の１６ビットＣＭ対の出力をマルチプレクスする構成である。セレクタ３１２５は、ＣＭ３１２６が格納するコンフィギュレーションに従って、ＬＵＴブロック３１２３の出力またはレジスタブロック３１２４の出力を選択する。
ＰＬＥ３１２１は、パワースイッチ３１２７を介して電圧ＶＤＤ用の電源線に電気的に接続されている。パワースイッチ３１２７のオンオフは、ＣＭ３１２８が格納するコンフィギュレーションデータによって設定される。各ＰＬＥ３１２１にパワースイッチ３１２７を設けることで、細粒度パワーゲーティングが可能である。細粒度パワーゲーティング機能により、コンテキストの切り替え後に使用されないＰＬＥ３１２１をパワーゲーティングすることができるので、待機電力を効果的に低減できる。
ＮＯＦＦコンピューティングを実現するため、レジスタブロック３１２４は、不揮発性レジスタで構成される。ＰＬＥ３１２１内の不揮発性レジスタはＯＳメモリを備えるフリップフロップ（以下［ＯＳ−ＦＦ］と呼ぶ）である。
レジスタブロック３１２４は、ＯＳ−ＦＦ３１４０［１］３１４０［２］を有する。信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓ、ｌｏａｄ、ｓｔｏｒｅがＯＳ−ＦＦ３１４０［１］、３１４０［２］に入力される。クロック信号ＣＬＫ１はＯＳ−ＦＦ３１４０［１］に入力され、クロック信号ＣＬＫ２はＯＳ−ＦＦ３１４０［２］に入力される。図５５（Ａ）にＯＳ−ＦＦ３１４０の構成例を示す。
ＯＳ−ＦＦ３１４０は、ＦＦ３１４１、シャドウレジスタ３１４２を有する。ＦＦ３１４１は、ノードＣＫ、Ｒ、Ｄ、Ｑ、ＱＢを有する。ノードＣＫにはクロック信号が入力される。ノードＲには信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓが入力される。信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓはリセット信号である。ノードＤはデータ入力ノードであり、ノードＱはデータ出力ノードである。ノードＱとノードＱＢとは論理が相補関係にある。
シャドウレジスタ３１４２は、ＦＦ３１４１のバックアップ回路として機能する。シャドウレジスタ３１４２は、信号ｓｔｏｒｅに従いノードＱ、ＱＢのデータをそれぞれバックアップし、また、信号ｌｏａｄに従い、バックアップしたデータをノードＱ、ＱＢに書き戻す。
シャドウレジスタ３１４２は、インバータ回路３１８８、３１８９、ＳｉトランジスタＭ３７、ＭＢ３７、メモリ回路３１４３、３１４３Ｂを有する。メモリ回路３１４３、３１４３Ｂは、ＰＲＳ３１３３のメモリ回路３１３７と同じ回路構成である。メモリ回路３１４３は容量素子Ｃ３６、ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯ３６を有する。メモリ回路３１４３Ｂは容量素子ＣＢ３６、ＯＳトランジスタＭＯＢ３５、ＯＳトランジスタＭＯＢ３６を有する。ノードＮ３６、ＮＢ３６はＯＳトランジスタＭＯ３６、ＯＳトランジスタＭＯＢ３６のゲートであり、それぞれ電荷保持ノードである。ノードＮ３７、ＮＢ３７は、ＳｉトランジスタＭ３７、ＭＢ３７のゲートである。
上記実施の形態に示す半導体装置をＬＡＢ３１２０に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯＢ３５としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ３６、ＣＢ３６として容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。
ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯ３６、ＭＯＢ３５、ＭＯＢ３６はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。
図５５（Ｂ）を参照して、ＯＳ−ＦＦ３１４０の動作方法例を説明する。
（バックアップ）
“Ｈ”の信号ｓｔｏｒｅがＯＳ−ＦＦ３１４０に入力されると、シャドウレジスタ３１４２はＦＦ３１４１のデータをバックアップする。ノードＮ３６は、ノードＱのデータが書き込まれることで、“Ｌ”となり、ノードＮＢ３６は、ノードＱＢのデータが書き込まれることで、“Ｈ”となる。しかる後、パワーゲーティングが実行され、パワースイッチ３１２７をオフにする。ＦＦ３１４１のノードＱ、ＱＢのデータは消失するが、電源オフであっても、シャドウレジスタ３１４２はバックアップしたデータを保持する。
（リカバリ）
パワースイッチ３１２７をオンにし、ＰＬＥ３１２１に電源を供給する。しかる後、“Ｈ”の信号ｌｏａｄがＯＳ−ＦＦ３１４０に入力されると、シャドウレジスタ３１４２はバックアップしているデータをＦＦ３１４１に書き戻す。ノードＮ３６は“Ｌ”であるので、ノードＮ３７は“Ｌ”が維持され、ノードＮＢ３６は“Ｈ”であるので、ノードＮＢ３７は“Ｈ”となる。よって、ノードＱは“Ｈ”になり、ノードＱＢは“Ｌ”になる。つまり、ＯＳ−ＦＦ３１４０はバックアップ動作時の状態に復帰する。
細粒度パワーゲーティングと、ＯＳ−ＦＦ３１４０のバックアップ／リカバリ動作とを組み合わせることで、ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０の消費電力を効果的に低減できる。
メモリ回路において発生しうるエラーとして放射線の入射によるソフトエラーが挙げられる。ソフトエラーは、メモリやパッケージを構成する材料などから放出されるα線や、宇宙から大気に入射した一次宇宙線が大気中に存在する原子の原子核と核反応を起こすことにより発生する二次宇宙線中性子などがトランジスタに照射され、電子正孔対が生成されることにより、メモリに保持されたデータが反転するなどの誤作動が生じる現象である。ＯＳトランジスタを用いたＯＳメモリはソフトエラー耐性が高い。そのため、ＯＳメモリを搭載することで、信頼性の高いＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０を提供することができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態８）
本実施の形態では、図５６を用いて、上記実施の形態に示す半導体装置を適用した、ＡＩシステムについて説明を行う。
図５６はＡＩシステム４０４１の構成例を示すブロック図である。ＡＩシステム４０４１は、演算部４０１０と、制御部４０２０と、入出力部４０３０を有する。
演算部４０１０は、アナログ演算回路４０１１と、ＤＯＳＲＡＭ４０１２と、ＮＯＳＲＡＭ４０１３と、ＦＰＧＡ４０１４と、を有する。ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４として、上記実施の形態に示す、ＤＯＳＲＡＭ１４００、ＮＯＳＲＡＭ１６００、およびＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０を用いることができる。
制御部４０２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０２１と、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０２２と、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）４０２３と、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４０２４と、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４０２５と、メモリコントローラ４０２６と、電源回路４０２７と、ＰＭＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）４０２８と、を有する。
入出力部４０３０は、外部記憶制御回路４０３１と、音声コーデック４０３２と、映像コーデック４０３３と、汎用入出力モジュール４０３４と、通信モジュール４０３５と、を有する。
演算部４０１０は、ニューラルネットワークによる学習または推論を実行することができる。
アナログ演算回路４０１１はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路、および積和演算回路を有する。
アナログ演算回路４０１１はＯＳトランジスタを用いて形成することが好ましい。ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路４０１１は、アナログメモリを有し、学習または推論に必要な積和演算を、低消費電力で実行することが可能になる。
ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを用いて形成されたＤＲＡＭであり、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＣＰＵ４０２１から送られてくるデジタルデータを一時的に格納するメモリである。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを含むメモリセルと、Ｓｉトランジスタを含む読み出し回路部を有する。上記メモリセルと読み出し回路部は、積層された異なる層に設けることができるため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、全体の回路面積を小さくすることができる。
ニューラルネットワークを用いた計算は、入力データが１０００を超えることがある。上記入力データをＳＲＡＭに格納する場合、ＳＲＡＭは回路面積に制限があり、記憶容量が小さいため、上記入力データを小分けにして格納せざるを得ない。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、限られた回路面積でも、メモリセルを高集積に配置することが可能であり、ＳＲＡＭに比べて記憶容量が大きい。そのため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、上記入力データを効率よく格納することができる。
ＮＯＳＲＡＭ４０１３はＯＳトランジスタを用いた不揮発性メモリである。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、フラッシュメモリや、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの他の不揮発性メモリと比べて、データを書き込む際の消費電力が小さい。また、フラッシュメモリやＲｅＲＡＭのように、データを書き込む際に素子が劣化することもなく、データの書き込み可能回数に制限が無い。
また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、１ビットの２値データの他に、２ビット以上の多値データを記憶することができる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は多値データを記憶することで、１ビット当たりのメモリセル面積を小さくすることができる。
また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、デジタルデータの他にアナログデータを記憶することができる。そのため、アナログ演算回路４０１１は、ＮＯＳＲＡＭ４０１３をアナログメモリとして用いることもできる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、アナログデータのまま記憶することができるため、Ｄ／Ａ変換回路やＡ／Ｄ変換回路が不要である。そのため、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は周辺回路の面積を小さくすることができる。なお、本明細書においてアナログデータとは、３ビット（８値）以上分解能を有するデータのことを指す。上述した多値データがアナログデータに含まれる場合もある。
ニューラルネットワークの計算に用いられるデータやパラメータは、一旦、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に格納することができる。上記データやパラメータは、ＣＰＵ４０２１を介して、ＡＩシステム４０４１の外部に設けられたメモリに格納してもよいが、内部に設けられたＮＯＳＲＡＭ４０１３の方が、より高速且つ低消費電力に上記データやパラメータを格納することができる。また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２よりもビット線を長くすることができるので、記憶容量を大きくすることができる。
ＦＰＧＡ４０１４は、ＯＳトランジスタを用いたＦＰＧＡである。ＡＩシステム４０４１は、ＦＰＧＡ４０１４を用いることによって、ハードウェアで後述する、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの、ニューラルネットワークの接続を構成することができる。上記のニューラルネットワークの接続をハードウェアで構成することで、より高速に実行することができる。
ＦＰＧＡ４０１４はＯＳトランジスタを有するＦＰＧＡである。ＯＳ−ＦＰＧＡは、ＳＲＡＭで構成されるＦＰＧＡよりもメモリの面積を小さくすることができる。そのため、コンテキスト切り替え機能を追加しても面積増加が少ない。また、ＯＳ−ＦＰＧＡはブースティングによりデータやパラメータを高速に伝えることができる。
ＡＩシステム４０４１は、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を１つのダイ（チップ）の上に設けることができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。また、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４は、同じ製造プロセスで作製することができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、低コストで作製することができる。
なお、演算部４０１０は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を、全て有する必要はない。ＡＩシステム４０４１が解決したい課題に応じて、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４の一または複数を、選択して設ければよい。
ＡＩシステム４０４１は、解決したい課題に応じて、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの手法を実行することができる。ＰＲＯＭ４０２５は、これらの手法の少なくとも１つをするためのプログラムを保存することができる。また、当該プログラムの一部または全てを、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に保存してもよい。
ライブラリとして存在する既存のプログラムは、ＧＰＵの処理を前提としているものが多い。そのため、ＡＩシステム４０４１はＧＰＵ４０２２を有することが好ましい。ＡＩシステム４０４１は、学習と推論で用いられる積和演算のうち、律速となる積和演算を演算部４０１０で実行し、それ以外の積和演算をＧＰＵ４０２２で実行することができる。そうすることで、学習と推論を高速に実行することができる。
電源回路４０２７は、論理回路用の低電源電位を生成するだけではなく、アナログ演算のための電位生成も行う。電源回路４０２７はＯＳメモリを用いてもよい。電源回路４０２７は、基準電位をＯＳメモリに保存することで、消費電力を下げることができる。
ＰＭＵ４０２８は、ＡＩシステム４０４１の電力供給を一時的にオフにする機能を有する。
ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２は、レジスタとしてＯＳメモリを有することが好ましい。ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２はＯＳメモリを有することで、電力供給がオフになっても、ＯＳメモリ中にデータ（論理値）を保持し続けることができる。その結果、ＡＩシステム４０４１は、電力を節約することができる。
ＰＬＬ４０２３は、クロックを生成する機能を有する。ＡＩシステム４０４１は、ＰＬＬ４０２３が生成したクロックを基準に動作を行う。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することが好ましい。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することで、クロックの発振周期を制御するアナログ電位を保持することができる。
ＡＩシステム４０４１は、ＤＲＡＭなどの外部メモリにデータを保存してもよい。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部のＤＲＡＭとのインターフェースとして機能するメモリコントローラ４０２６を有することが好ましい。また、メモリコントローラ４０２６は、ＣＰＵ４０２１またはＧＰＵ４０２２の近くに配置することが好ましい。そうすることで、データのやり取りを高速に行うことができる。
制御部４０２０に示す回路の一部または全ては、演算部４０１０と同じダイの上に形成することができる。そうすることで、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。
ニューラルネットワークの計算に用いられるデータは外部記憶装置（ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）など）に保存される場合が多い。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部記憶装置とのインターフェースとして機能する外部記憶制御回路４０３１を有することが好ましい。
ニューラルネットワークを用いた学習と推論は、音声や映像を扱うことが多いので、ＡＩシステム４０４１は音声コーデック４０３２および映像コーデック４０３３を有する。音声コーデック４０３２は、音声データのエンコード（符号化）およびデコード（復号）を行い、映像コーデック４０３３は、映像データのエンコードおよびデコードを行う。
ＡＩシステム４０４１は、外部センサから得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は汎用入出力モジュール４０３４を有する。汎用入出力モジュール４０３４は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）やＩ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などを含む。
ＡＩシステム４０４１は、インターネットを経由して得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、通信モジュール４０３５を有することが好ましい。
アナログ演算回路４０１１は、多値のフラッシュメモリをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、フラッシュメモリは書き換え可能回数に制限がある。また、多値のフラッシュメモリは、エンベディッドで形成する（演算回路とメモリを同じダイの上に形成する）ことが非常に難しい。
また、アナログ演算回路４０１１は、ＲｅＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＲｅＲＡＭは書き換え可能回数に制限があり、記憶精度の点でも問題がある。さらに、２端子でなる素子であるため、データの書き込みと読み出しを分ける回路設計が複雑になる。
また、アナログ演算回路４０１１は、ＭＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＭＲＡＭは抵抗変化率が低く、記憶精度の点で問題がある。
以上を鑑み、アナログ演算回路４０１１は、ＯＳメモリをアナログメモリとして用いることが好ましい。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態９）
＜ＡＩシステムの応用例＞
本実施の形態では、上記実施の形態に示すＡＩシステムの応用例について図５７を用いて説明を行う。
図５７（Ａ）は、図５６で説明したＡＩシステム４０４１を並列に配置し、バス線を介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ａである。
図５７（Ａ）に図示するＡＩシステム４０４１Ａは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎ（ｎは自然数）を有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、バス線４０９８を介して互いに接続されている。
また図５７（Ｂ）は、図５６で説明したＡＩシステム４０４１を図５７（Ａ）と同様に並列に配置し、ネットワークを介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ｂである。
図５７（Ｂ）に図示するＡＩシステム４０４１Ｂは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎを有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、ネットワーク４０９９を介して互いに接続されている。
ネットワーク４０９９は、ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎのそれぞれに通信モジュールを設け、無線または有線による通信を行う構成とすればよい。通信モジュールは、アンテナを介して通信を行うことができる。例えばＷｏｒｌｄ Ｗｉｄｅ Ｗｅｂ（ＷＷＷ）の基盤であるインターネット、イントラネット、エクストラネット、ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＣＡＮ（Ｃａｍｐｕｓ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＭＡＮ（Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＧＡＮ（Ｇｌｏｂａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等のコンピュータネットワークに各電子装置を接続させ、通信を行うことができる。無線通信を行う場合、通信プロトコル又は通信技術として、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：登録商標）、ＥＤＧＥ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｄａｔａ Ｒａｔｅｓ ｆｏｒ ＧＳＭ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＣＤＭＡ２０００（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ２０００）、Ｗ−ＣＤＭＡ（登録商標）などの通信規格、またはＷｉ−Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等のＩＥＥＥにより通信規格化された仕様を用いることができる。
図５７（Ａ）、（Ｂ）の構成とすることで、外部のセンサ等で得られたアナログ信号を別々のＡＩシステムで処理することができる。例えば、生体情報のように、脳波、脈拍、血圧、体温等といった情報を脳波センサ、脈波センサ、血圧センサ、温度センサといった各種センサで取得し、別々のＡＩシステムでアナログ信号を処理することができる。別々のＡＩシステムのそれぞれで信号の処理、または学習を行うことで一つのＡＩシステムあたりの情報処理量を少なくできる。そのため、より少ない演算量で信号の処理、または学習を行うことができる。その結果、認識精度を高めることができる。それぞれのＡＩシステムで得られた情報から、複雑に変化する生体情報の変化を瞬時に統合的に把握することができるといったことが期待できる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態１０）
本実施の形態は、上記実施の形態に示すＡＩシステムが組み込まれたＩＣの一例を示す。
上記実施の形態に示すＡＩシステムは、ＣＰＵ等のＳｉトランジスタでなるデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ−ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリを、１のダイに集積することができる。
図５８に、ＡＩシステムを組み込んだＩＣの一例を示す。図５８に示すＡＩシステムＩＣ７０００は、リード７００１及び回路部７００３を有する。ＡＩシステムＩＣ７０００は、例えばプリント基板７００２に実装される。このようなＩＣチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７００２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７００４）が完成する。回路部７００３には、上記実施の形態で示した各種の回路が１のダイに設けられている。回路部７００３は、先の実施の形態に示すように、積層構造をもち、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２、ＯＳトランジスタ層７０３３に大別される。ＯＳトランジスタ層７０３３をＳｉトランジスタ層７０３１に積層して設けることができるため、ＡＩシステムＩＣ７０００の小型化が容易である。
図５８では、ＡＩシステムＩＣ７０００のパッケージにＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。
ＣＰＵ等のデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ−ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリは、全て、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２およびＯＳトランジスタ層７０３３に形成することができる。すなわち、上記ＡＩシステムを構成する素子は、同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、本実施の形態に示すＩＣは、構成する素子が増えても製造プロセスを増やす必要がなく、上記ＡＩシステムを低コストで組み込むことができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態１１）
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図５９および図６０に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
図５９（Ａ）に示すロボット２０００は、演算装置２００１、センサ２００２、ライト２００３、リフト２００４、駆動部２００５、移動機構２０１１を備えており、移動しながら静止画や動画を撮影することができる。このようなロボットは、警備システムや、監視システムとして用いることができる。
ロボット２０００は、さらに、通信手段２００６、スピーカ２００７、マイクロフォン２００８、表示部２００９、発光部２０１０などを備えていてもよい。
演算装置２００１には、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。また、演算装置２００１には、本発明の一態様に係るＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。センサ２００２は、ロボット２０００の周囲を撮影する、カメラとしての機能を有する。ライト２００３は、センサ２００２でロボット２０００の周囲を撮影する際のライトとして用いることができる。なお、センサ２００２で、静止画を撮影する際には、ライト２００３は、フラッシュライトとして機能することが好ましい。センサ２００２は、リフト２００４を介して、ロボット本体と接続されている。センサ２００２の高さは、リフト２００４により調整することができる。リフト２００４は、伸縮式であることが好ましい。また、リフト２００４は、複数のブームにより構成された折り畳み式のものでもよい。また、ロボット２０００には、駆動部２００５と、駆動部２００５に接続された移動機構２０１１が設けられているため、センサ２００２による撮像範囲、すなわち監視範囲が広がり、好ましい。
通信手段２００６は、センサ２００２により撮像された情報を管理者や、管理者が所有するサーバへ送信することができる。また、センサ２００２により撮像された情報を演算装置２００１にて解析し、犯罪、事故、火災などの非常事態と判断された場合は、警備会社、警察、消防、医療機関、土地や建物のオーナーへ連絡することができる。スピーカ２００７は、犯罪者への警告、怪我人や急病人への問いかけ、避難の誘導など、ロボット周囲に情報の発信を行うことができる。マイクロフォン２００８は、ロボット２０００周囲の音声の取得に用いることができる。また、通信手段２００６、およびスピーカ２００７と合わせて用いることで、ロボット２０００は電話としての機能を有することができる。ロボット２０００周囲にいる人は、管理者や任意の人と会話することができる。表示部２００９は、任意の情報を表示することができる。非常時の場合は、災害情報や避難経路を表示することができる。また、通信手段２００６、スピーカ２００７、およびマイクロフォン２００８と合わせて用いることで、ロボット２０００はテレビ電話としての機能を有することができる。ロボット２０００周囲にいる人は、管理者や任意の人と表示部２００９を見ながら会話することができる。
発光部２０１０は、ロボット２０００の進行方向や停止状態を文字や光で示すことができる。また、非常事態を示してもよい。
図５９（Ｂ）は、ロボット２０００の構成を示すブロック図である。演算装置２００１は、センサ２００２により得られた映像などの情報から、ライト２００３の点灯や消灯、明るさの調整を行う。また、リフト２００４の高さの調整、あるいは、駆動部２００５の制御を行い、ロボット２０００や、センサ２００２の位置合わせを行う。また、駆動部２００５の動作状況を、発光部２０１０を用いて示すことができる。また、通信手段２００６を用いて、センサ２００２やマイクロフォン２００８から得られたロボット２０００の周囲の情報を管理者、または管理者が所有するサーバに送信することができる。また、演算装置２００１や、管理者の判断により、スピーカ２００７や表示部２００９を用いて、ロボット２０００の周囲に情報を発信することができる。
センサ２００２に用いるセンサとして、周囲が暗くても撮像が可能なセンサを用いる場合は、ライト２００３は設けなくてもよい。このようなセンサとして、受光部にセレン（Ｓｅ）を用いたイメージセンサを用いることができる。
このようなロボット２０００は、商業施設や、オフィスの警備に用いることができる。センサ２００２やマイクロフォン２００８から得られた情報は、演算装置２００１やサーバに保存される。保存された情報は、ＡＩシステムにより解析され、物品の紛失や破損、不審者の侵入、火災などの災害などの異常の有無を判断する。情報の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。異常が発生したと判断した場合、ロボット２０００は、管理者への連絡および周囲への情報発信を行い、周囲の状況を記録する。
また、ロボット２０００は、農作物の生育状況の監視に用いてもよい。田んぼや畑に設置されたロボット２０００は、センサ２００２により、農作物の葉、あるいは実の形、大きさ、色を監視し、病気になっていないか、害虫の付着が無いかを判断する。ロボット２０００には、移動機構２０１１が設けられているため、広範囲の農作物の生育状況を監視することができる。また、ロボット２０００には、リフト２００４が設けられているため、農作物の種類や、生育状況によらず、任意の高さの葉や実を監視することができる。監視結果は、通信手段２００６を用いて生産者に送られ、生産者は、農作物に必要な肥料や農薬の種類、量、散布時期を判断することができる。また、演算装置２００１を用いて、監視結果を、ＡＩシステムにより解析し、農作物に必要な、肥料や農薬の種類、量、散布時期を判断して、生産者に通知してもよい。監視結果の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。
図６０（Ａ）は、ロボット６００１を用いた、仕分けシステム６０００を示す。ロボット６００１は、演算装置６００２、ブーム６００３、およびアーム６００４を備えている。また、ロボット６００１は有線、または無線の通信手段６０１１を備えていてもよい。また、仕分けシステム６０００は、センサ６００９を有する筐体６００８を備えている。筐体６００８は、通信手段６０１０を有している。筐体６００８は、仕分けシステム６０００、または仕分け作業エリアの天井、壁、梁（いずれも図示せず）に設けられる。また、筐体６００８は、ロボット６００１に設けられていてもよい。例えば、ブーム６００３、またはアーム６００４に設けられていてもよい。筐体６００８がロボット６００１に設けられている場合は、センサ６００９により得られた情報は、通信手段６０１０、および通信手段６０１１を介さず、演算装置６００２に送られ、処理されてもよい。
ブーム６００３は、可動式となっており、アーム６００４を所望の位置に配置することができる。また、アーム６００４は伸縮式としてもよい。所望の物品６００７上に配置されたアームを伸ばし、所望の物品６００７を掴み、アーム６００４を縮めた後、ブーム６００３によりアーム６００４を移動してもよい。
仕分けシステム６０００は、容器６００５内の物品６００７を容器６００６に移動させることができる。容器６００５と容器６００６は、同一形状でも良いし、異なる形状でもよい。また、一つの容器６００５に入れられた複数の物品６００７を複数の容器６００６に振り分けて移動してもよい。
容器６００５、および容器６００６として、コンテナ、段ボール箱、商品を梱包する箱、ケース、フィルム、または袋、食品保管用のバット、弁当箱などが用いられる。また、容器６００５、および容器６００６の少なくとも一方は、鍋やフライパンなどの調理器具でもよい。
演算装置６００２には、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。また、演算装置６００２には、本発明の一態様に係るＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。
センサ６００９は、容器６００５の位置、容器６００６の位置、容器６００５内、および容器６００５内の物品６００７の状態を読み取り、通信手段６０１０を用いて演算装置６００２に情報を送信する。情報の送信は無線または、有線で行う。また、通信手段６０１０を用いずに、有線にて情報を送信してもよい。演算装置６００２は、送信された情報の解析を行う。ここで、物品６００７の状態とは、形、数、物品６００７同士の重なりなどのことを指す。演算装置６００２は、センサ６００９からの情報をもとに解析を行い、物品６００７の詳細情報を導出する。演算装置６００２、またはロボット６００１と通信可能なサーバに保存されたデータと比較し、物品６００７の三次元形状や、堅さ（柔らかさ）を導出する。また、物品６００７の三次元形状や堅さ（柔らかさ）から、アーム６００４の形状を変えることができる。
物品６００７の詳細情報を導出するには、ＡＩシステムを用いた解析を利用することができる。情報の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。
図６０（Ｂ）は、一対の板６０２１が水平方向に移動し、物品６００７を挟むことができるアームである。一対の板６０２１が中心に向かって水平方向に移動することで、物品６００７を挟むことができる。このようなアームは、物品６００７を面で捉えることができ、立方体や直方体など、柱状の形を有する物品６００７を掴むのに適している。図６０（Ｃ）は、複数のバー６０２２が水平方向に移動し、物品６００７を挟むことができるアームである。複数のバー６０２２が中心に向かって水平方向に移動することで、物品６００７を挟むことができる。このようなアームは、物品６００７を点で捉えることができ、球状の形を有する物品６００７、または物品６００７の形が一定でない場合、すなわち不定型な物品６００７を掴むに適している。なお、図６０（Ｃ）では、バー６０２２の数を４本としたが、本実施の形態はこれに限らない。バー６０２２は３本でもよいし、５本以上でも良い。図６０（Ｄ）は、一対の板６０２３が、共通の軸を中心に、お互いが近づくように回転することで物品６００７を挟むことができるアームである。このようなアームは、物品６００７を面で捉えることができ、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品６００７を掴むのに適している。図６０（Ｅ）は、一対のかぎ状の板６０２４が、共通の軸を中心に、お互いの先端が近づくように回転することで物品６００７を挟むことができるアームである。このようなアームは、物品６００７を点、または線で捉えることができ、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品６００７や、より小さい粒状の形を有する物品６００７を掴むのに適している。また、図６０（Ｆ）に示すように、アームの先端にヘラ６０２５を取り付け、より小さい粒状の形を有する物品６００７をすくってもよい。
図６０（Ａ）乃至図２（Ｆ）に示すアームは、一例であり、本発明の一態様はこれらの形状に限らない。また、各アームの用途の説明も一例であり、本発明の一態様はこれらの記載に限らない。
ロボット６００１は、演算装置６００２からの信号に基づき、ブーム６００３を動かし、アーム６００４を、容器６００５内の所望の物品６００７上に移動する。伸縮式のアーム６００４の場合、アーム６００４を伸ばし、アーム６００４の先端を物品６００７の高さまで降ろす。アームの先端を動かし、所望の物品６００７を掴む。物品６００７を掴んだまま、アームを縮める。再びブーム６００３を動かし、アーム６００４を、容器６００６の所望の位置に移動する。このとき、容器６００６に対する物品６００７の角度を調整する為、アーム６００４を回転してもよい。アーム６００４を伸ばし、物品６００７を容器６００６に配置し、アーム６００４は、物品６００７を放す。以上の操作を繰り返し行い、ロボット６００１は、物品６００７を容器６００５から容器６００６に移動させることができる。
容器６００５、および容器６００６の位置情報、および物品６００７の状態をＡＩシステムを用いて解析しているため、物品６００７の形状や堅さによらず、確実に物品６００７を移動することができる。物品６００７の例としては、立方体、または直方体の箱、または任意の形状の箱やケースに詰められた物品だけでなく、卵、ハンバーグやコロッケなど、成形された加工食品、ジャガイモやトマトなど、不定形な野菜などの食品、ネジやナットなどの機械部品、紙やフィルムなどの薄膜などが挙げられる。本実施の形態に示した仕分けシステム６０００は、物品６００７の形状や堅さを考慮してアームの形状を変えることができるため、上記に例示した物品６００７を、形状や堅さによらず、容器６００５から容器６００６に移動させることができる。
例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。
また、例えば、上述した電子機器の演算装置などに、上記ＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。これにより、本実施の形態に示す電子機器は、ＡＩシステムによって、状況に応じた的確な動作を、低消費電力で行うことができる。
本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
本実施例では、酸化物上に金属化合物を形成したときの、酸化物のシート抵抗の推移を測定した。シート抵抗測定器には、測定上限が６．０×１０６Ω／ｓｑ．であるものを用いた。酸化物のシート抵抗の推移を図６１に示す。シート抵抗の推移の評価に用いたサンプルを以下に説明する。
サンプル１の作製方法について説明する。シリコンを含む基板の表面を、塩化水素（ＨＣｌ）雰囲気で熱処理し、基板上に１００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。次に、酸化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚５ｎｍの酸化物を形成し、さらに、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚１５ｎｍの酸化物を形成した。次に、形成した酸化物に対して、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行ない、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行った。サンプル１の酸化物のシート抵抗を測定したところ、オーバーレンジとなり、酸化物のシート抵抗が６．０×１０６Ω／ｓｑ．以上であることがわかった。
次に、サンプル２の作製方法について説明する。サンプル１と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、加熱処理を行った。加熱処理後、酸化物上に、スパッタリング法によって、Ｔｉ：Ａｌ＝１：１［原子数比］のターゲットを用い、窒素を含む雰囲気にて、膜厚２ｎｍの金属化合物を形成した。得られた金属化合物は、チタン、アルミニウム、および窒素を含んでおり、ＴｉＡｌＮｘと表記することができる。サンプル２の酸化物のシート抵抗を測定したところ、３．８×１０３Ω／ｓｑ．であった。酸化物上に金属化合物を形成することで、酸化物のシート抵抗値が低減した。
次に、サンプル３の作製方法について説明する。サンプル２と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、加熱処理を行った。加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行った。サンプル３の酸化物のシート抵抗を測定したところ、２．９×１０３Ω／ｓｑ．であった。金属化合物の形成により低減した酸化物のシート抵抗値にほぼ変動は無いが、サンプル２と比較して、サンプル３の酸化物のシート抵抗値は、低減した。
次に、サンプル４の作製方法について説明する。サンプル３と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、加熱処理を行った。加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、加熱処理を行った。加熱処理後、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含むターゲットを用い、アルゴンと酸素を含む雰囲気にて、膜厚２０ｎｍの酸化アルミニウムを形成した。酸化アルミニウムの形成により、酸化物に酸素（過剰酸素）が供給されると考えられる。ここで、酸化物に酸素が供給されることで、酸化物の抵抗値は増加し、Ｉ型半導体に近づく場合がある。サンプル４の酸化物のシート抵抗を測定したところ、１．９×１０３Ω／ｓｑ．であった。なお、サンプル４において、酸化物のシート抵抗の測定は、酸化アルミニウム除去後に行った。金属化合物の形成によりシート抵抗値が低減した酸化物において、酸化アルミニウムの形成によるシート抵抗値の上昇は見られず、サンプル３と比較して、サンプル４の酸化物のシート抵抗値は、低減した。
次に、サンプル５の作製方法について説明する。サンプル４と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、加熱処理を行った。加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、加熱処理を行った。加熱処理後、酸化アルミニウムを形成した。酸化アルミニウムの形成後に、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行ない、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行った。加熱処理により、酸化アルミニウムに含まれる酸素が酸化物に拡散することが考えられる。サンプル５の酸化物のシート抵抗を測定したところ、１．５×１０３Ω／ｓｑ．であった。なお、サンプル５において、酸化物のシート抵抗の測定は、酸化アルミニウム除去後に行った。金属化合物の形成によりシート抵抗値が低減した酸化物において、酸化アルミニウムの形成、および加熱処理によるシート抵抗値の上昇は見られなかった。また、サンプル３、およびサンプル４と比較して、サンプル５の酸化物のシート抵抗値は低減した。
本実施例は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
本実施例は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
本実施例では、酸化物上に金属化合物が設けられ、該金属化合物上に金属酸化物が設けられた試料の、酸化物中の水素濃度を評価した結果について説明する。水素濃度の評価には、ＳＳＤＰ（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｓｉｄｅ Ｄｅｐｔｈ Ｐｒｏｆｉｌｅ）−ＳＩＭＳ分析を用いた。
以下に、ＳＳＤＰ−ＳＩＭＳ分析に用いたサンプル６及びサンプル７の作製方法について説明する。
サンプル６の作製方法について説明する。シリコンを含む基板の表面を、塩化水素（ＨＣｌ）雰囲気で熱処理し、基板上に１００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。次に、酸化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚５０ｎｍの酸化物を形成した。次に、形成した酸化物に対して、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行ない、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の第１の加熱処理を行った。第１の加熱処理後、酸化物上に、スパッタリング法によって、Ｔｉ：Ａｌ＝１：１［原子数比］のターゲットを用い、窒素を含む雰囲気にて、膜厚２ｎｍの金属化合物を形成した。次に、金属化合物の形成後、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の第２の加熱処理を行った。第２の加熱処理後、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含むターゲットを用い、アルゴンと酸素を含む雰囲気にて、膜厚２０ｎｍの酸化アルミニウムを形成し、サンプル６を得た。
次に、サンプル７の作製方法について説明する。サンプル６と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、第１の加熱処理を行った。第１の加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、第２の加熱処理を行った。第２の加熱処理後、酸化アルミニウムを形成した。酸化アルミニウムの形成後に、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行ない、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の第３の加熱処理を行った。
以上のようにして作製したサンプル６、およびサンプル７に、ＳＳＤＰ−ＳＩＭＳ分析を行って水素を検出した結果を図６２に示す。図６２で横軸は深さ［ｎｍ］をとり、縦軸は水素の濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］をとる。サンプル６の水素濃度を破線で示し、サンプル７の水素濃度を実践で示す。また、本ＳＳＤＰ−ＳＩＭＳ分析における水素濃度のバックグラウンドレベルは、３．８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、グラフ中、長破線にて示している。サンプル６、およびサンプル７のＳＳＤＰ−ＳＩＭＳ分析は、シリコンウェハ側から試料を掘り進めて行った。また、サンプル６、およびサンプル７のＳＳＤＰ−ＳＩＭＳ分析は、酸化物（図中、ＩＧＺＯと表記する）を定量して酸化物（ＩＧＺＯ）の水素濃度を換算した。なお、ＳＩＭＳ分析は、アルバック・ファイ社製四重極型質量分析装置（ＡＤＥＰＴ１０１０）を用いた。また、サンプル６、およびサンプル７の検出領域は６０μｍ×６０μｍとした。
図６２に示すように、サンプル６において、酸化物（ＩＧＺＯ）中に水素が検出されている。一方、加熱処理を行ったサンプル７において、酸化物（ＩＧＺＯ）中の水素濃度は低減しており、特に、金属化合物側での水素濃度は、バックグラウンドレベルまで低下している。
また、サンプル７においては、下地界面側、すなわち酸化シリコン膜（ＳｉＯｘ）側の水素濃度が高い。また、下地界面側の水素濃度は、初期状態、すなわち、サンプル６においても高い。図６２に示すように、酸化物（ＩＧＺＯ）中の水素濃度は、加熱処理を行うことで低減できる。ただし、初期状態に水素を多く含む場合においては、加熱処理後も水素濃度が局在してしまう場合がある。このように、酸化物（ＩＧＺＯ）中の水素濃度は、膜中に不均一に分布している可能性が示唆される。
以上より、酸化物上に金属化合物が設けられ、該金属化合物上に金属酸化物が設けられた試料において、加熱処理を行うことで酸化物中の水素濃度が低減した。本評価により、酸化物中の水素は、金属化合物越しに、金属酸化物に引き抜かれていることが示唆された。すなわち、酸化物近傍に、金属酸化物を設けることにより、酸化物中の水素が金属酸化物に引き抜かれることが示唆された。このように、金属酸化物が酸化物中の水素引き抜く現象は、ゲッタリングと呼ぶことができる。
本実施例は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
１００ 容量素子
１００ａ 容量素子
１００ｂ 容量素子
１１０ 導電体
１１２ 導電体
１２０ 導電体
１３０ 絶縁体
１５０ 絶縁体
２００ トランジスタ
２００ａ トランジスタ
２００ｂ トランジスタ
２０３ 導電体
２０５ 導電体
２０５ａ 導電体
２０５ｂ 導電体
２０７ 導電体
２１０ 絶縁体
２１２ 絶縁体
２１４ 絶縁体
２１６ 絶縁体
２１８ 導電体
２２０ 絶縁体
２２２ 絶縁体
２２４ 絶縁体
２２４Ａ 絶縁膜
２３０ 酸化物
２３０ａ 酸化物
２３０Ａ 酸化膜
２３０ｂ 酸化物
２３０Ｂ 酸化膜
２３０ｃ 酸化物
２３０Ｃ 酸化膜
２３１ 領域
２３１ａ 領域
２３１ｂ 領域
２３２ 領域
２３２ａ 領域
２３２ｂ 領域
２３４ 領域
２３９ 領域
２４０ 導電体
２４０ａ 導電体
２４０ｂ 導電体
２４２ 絶縁体
２４２Ａ 膜
２４６ 導電体
２４８ 導電体
２５０ 絶縁体
２５０Ａ 絶縁膜
２５９ 絶縁体
２６０ 導電体
２６０ａ 導電体
２６０Ａａ 導電膜
２６０Ａｂ 導電膜
２６０ｂ 導電体
２６０Ｂ 導電体
２６０Ｂａ 導電体
２６０Ｂｂ 導電体
２６２ ダミーゲート
２６２Ａ ダミーゲート膜
２６２Ｂ ダミーゲート層
２７０ 絶縁体
２７２ 絶縁体
２７２Ａ 絶縁膜
２７２Ｂ 絶縁体
２７３ 絶縁体
２７３Ａ 絶縁膜
２７５ 絶縁体
２７５Ａ 絶縁膜
２７５Ｂ 絶縁体
２７６ 絶縁体
２７８ 絶縁体
２８０ 絶縁体
２８２ 絶縁体
２８３ 絶縁体
２８６ 絶縁体
３００ トランジスタ
３１１ 基板
３１３ 半導体領域
３１４ａ 低抵抗領域
３１４ｂ 低抵抗領域
３１５ 絶縁体
３１６ 導電体
３２０ 絶縁体
３２２ 絶縁体
３２４ 絶縁体
３２６ 絶縁体
３２８ 導電体
３３０ 導電体
３５０ 絶縁体
３５２ 絶縁体
３５４ 絶縁体
３５６ 導電体
３６０ 絶縁体
３６２ 絶縁体
３６４ 絶縁体
３６６ 導電体
３７０ 絶縁体
３７２ 絶縁体
３７４ 絶縁体
３７６ 導電体
３８０ 絶縁体
３８２ 絶縁体
３８４ 絶縁体
３８６ 導電体
４００ トランジスタ
４０３ 導電体
４０５ 導電体
４３０ｃ 酸化物
４３１ａ 酸化物
４３１ｂ 酸化物
４３２ａ 酸化物
４３２ｂ 酸化物
４５０ 絶縁体
４６０ 導電体
４６０ａ 導電体
４６０ｂ 導電体
４７０ 絶縁体
４７２ 絶縁体
５００ 開口部
６００ セル
６００ａ セル
６００ｂ セル
６１０ 回路
６２０ 回路
６５０ａ メモリセル
６５０ｂ メモリセル
１００１ 配線
１００２ 配線
１００３ 配線
１００４ 配線
１００５ 配線
１００６ 配線
１００７ 配線
１００８ 配線
１００９ 配線
１０１０ 配線
１４００ ＤＯＳＲＡＭ
１４０５ コントローラ
１４１０ 行回路
１４１１ デコーダ
１４１２ ワード線ドライバ回路
１４１３ 列セレクタ
１４１４ センスアンプドライバ回路
１４１５ 列回路
１４１６ グローバルセンスアンプアレイ
１４１７ 入出力回路
１４２０ センスアンプアレイ
１４２２ メモリセルアレイ
１４２３ センスアンプアレイ
１４２５ ローカルメモリセルアレイ
１４２６ ローカルセンスアンプアレイ
１４４４ スイッチアレイ
１４４５ メモリセル
１４４５ａ メモリセル
１４４５ｂ メモリセル
１４４６ センスアンプ
１４４７ グローバルセンスアンプ
１６００ ＮＯＳＲＡＭ
１６１０ メモリセルアレイ
１６１１ メモリセル
１６１１−１６１４ メモリセル
１６１２ メモリセル
１６１３ メモリセル
１６１４ メモリセル
１６１５ メモリセル
１６１５ａ メモリセル
１６１５ｂ メモリセル
１６４０ コントローラ
１６５０ 行ドライバ
１６５１ 行デコーダ
１６５２ ワード線ドライバ
１６６０ 列ドライバ
１６６１ 列デコーダ
１６６２ ドライバ
１６６３ ＤＡＣ
１６７０ 出力ドライバ
１６７１ セレクタ
１６７２ ＡＤＣ
１６７３ 出力バッファ
２０００ ロボット
２００１ 演算装置
２００２ センサ
２００３ ライト
２００４ リフト
２００５ 駆動部
２００６ 通信手段
２００７ スピーカ
２００８ マイクロフォン
２００９ 表示部
２０１０ 発光部
２０１１ 移動機構
３１１０ ＯＳ−ＦＰＧＡ
３１１１ コントローラ
３１１２ ワードドライバ
３１１３ データドライバ
３１１５ プログラマブルエリア
３１１７ ＩＯＢ
３１１９ コア
３１２０ ＬＡＢ
３１２１ ＰＬＥ
３１２３ ＬＵＴブロック
３１２４ レジスタブロック
３１２５ セレクタ
３１２６ ＣＭ
３１２７ パワースイッチ
３１２８ ＣＭ
３１３０ ＳＡＢ
３１３１ ＳＢ
３１３３ ＰＲＳ
３１３５ ＣＭ
３１３７ メモリ回路
３１３７Ｂ メモリ回路
３１４０ ＯＳ−ＦＦ
３１４１ ＦＦ
３１４２ シャドウレジスタ
３１４３ メモリ回路
３１４３Ｂ メモリ回路
３１８８ インバータ回路
３１８９ インバータ回路
４０１０ 演算部
４０１１ アナログ演算回路
４０１２ ＤＯＳＲＡＭ
４０１３ ＮＯＳＲＡＭ
４０１４ ＦＰＧＡ
４０２０ 制御部
４０２１ ＣＰＵ
４０２２ ＧＰＵ
４０２３ ＰＬＬ
４０２５ ＰＲＯＭ
４０２６ メモリコントローラ
４０２７ 電源回路
４０２８ ＰＭＵ
４０３０ 入出力部
４０３１ 外部記憶制御回路
４０３２ 音声コーデック
４０３３ 映像コーデック
４０３４ 汎用入出力モジュール
４０３５ 通信モジュール
４０４１ ＡＩシステム
４０４１＿ｎ ＡＩシステム
４０４１＿１ ＡＩシステム
４０４１Ａ ＡＩシステム
４０４１Ｂ ＡＩシステム
４０９８ バス線
４０９９ ネットワーク
６０００ システム
６００１ ロボット
６００２ 演算装置
６００３ ブーム
６００４ アーム
６００５ 容器
６００６ 容器
６００７ 物品
６００８ 筐体
６００９ センサ
６０１０ 通信手段
６０１１ 通信手段
６０２１ 板
６０２２ バー
６０２３ 板
６０２４ 板
６０２５ ヘラ
７０００ ＡＩシステムＩＣ
７００１ リード
７００２ プリント基板
７００３ 回路部
７００４ 実装基板
７０３１ Ｓｉトランジスタ層
７０３２ 配線層
７０３３ ＯＳトランジスタ層

Claims (22)

  1. チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、
    前記半導体装置は、トランジスタ、層間膜および配線を有し、
    前記トランジスタは、
    第１の絶縁体上の前記酸化物と、
    前記酸化物上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の第１の導電体と、
    前記第２の絶縁体の側面および前記第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、を有し、
    前記酸化物は、
    前記第２の絶縁体と重なる第１の領域と、
    前記第３の絶縁体と重なる第２の領域と、
    前記第２の領域に接する第３の領域と、を有し、
    前記第３の領域は、前記第１の領域及び前記第２の領域よりも酸素濃度が小さく、
    前記第２の領域は、前記第１の領域よりも酸素濃度が小さく、
    前記層間膜は、前記第１の絶縁体上、前記酸化物の側面、前記酸化物の上面および前記第３の絶縁体の側面に接して配置され、
    前記配線は、前記層間膜と接し、且つ前記第３の領域と電気的に接続され、
    前記第３の絶縁体の上面は、前記層間膜の上面と略一致する、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、
    前記半導体装置は、トランジスタ、層間膜および配線を有し、
    前記トランジスタは、
    第１の絶縁体上の前記酸化物と、
    前記酸化物上の第２の絶縁体および第１の膜と、
    前記第２の絶縁体上の第１の導電体と、
    前記第２の絶縁体の側面および前記第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、を有し、
    前記酸化物は、
    前記第２の絶縁体と重なる第１の領域と、
    前記第３の絶縁体と重なる第２の領域と、
    前記第２の領域に接する第３の領域と、を有し、
    前記第３の領域は、前記第１の領域及び前記第２の領域よりも酸素濃度が小さく、
    前記第２の領域は、前記第１の領域よりも酸素濃度が小さく、
    前記層間膜は、前記第１の絶縁体上、前記酸化物の側面、前記酸化物の上面および前記第３の絶縁体の側面に接して配置され、
    前記配線は、前記層間膜と接し、且つ前記第３の領域と電気的に接続され、
    前記第３の絶縁体の上面は、前記層間膜の上面と略一致する、
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む、ことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項３において、
    前記酸化物は、原子数比において、前記元素Ｍよりも前記Ｉｎの方が多い、
    ことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
    前記第３の領域は、前記第２の領域より、キャリア密度が大きく、
    前記第２の領域は、前記第１の領域より、キャリア密度が大きい、
    ことを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
    前記第３の領域は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、ことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
    前記第３の領域は、さらに窒素を有する、ことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、
    前記第１の領域は、前記第２の領域よりも水素濃度が低い、ことを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、
    前記第１の領域は、前記第２の領域及び前記第３の領域よりも水素濃度が低い、ことを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項において、
    前記第３の絶縁体は、
    金属酸化物を含む、
    ことを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項において、
    前記トランジスタは、
    ノーマリオフ型である、ことを特徴とする半導体装置。
  12. 請求項２において、
    前記第１の膜は、前記第３の領域と混合する部分を有する、ことを特徴とする半導体装置。
  13. 請求項２または請求項１２において、
    前記第１の膜は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、ことを特徴とする半導体装置。
  14. 請求項２または請求項１２において、
    前記第１の膜は、アルミニウム及びチタンを有する、ことを特徴とする半導体装置。
  15. 請求項２、または請求項１２乃至請求項１４のいずれか一項において、
    前記第１の膜は、さらに窒素及び酸素のいずれか一方または双方を有する、ことを特徴とする半導体装置。
  16. 請求項２、または請求項１２乃至請求項１５のいずれか一項において、
    前記第１の膜は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ未満である、ことを特徴とする半導体装置。
  17. 基板上に第１の絶縁体を形成し、
    前記第１の絶縁体の上に、酸化物層を形成し、
    前記酸化物層の上に、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜を順に成膜し、
    前記第１の絶縁膜および前記ダミーゲート膜を加工して、第２の絶縁体、ダミーゲート層を形成し、
    前記第１の絶縁体、前記酸化物層、前記第２の絶縁体および前記ダミーゲート層を覆って、第２の絶縁膜を成膜し、
    前記第２の絶縁膜を加工することで、
    前記第２の絶縁体、前記犠牲層に接する、第３の絶縁体を形成し、
    前記第１の絶縁体、前記酸化物層、前記ダミーゲート層および前記第３の絶縁体に接する、金属を含む第１の膜を形成し、
    窒素を含む雰囲気で加熱処理を行い、
    前記第１の膜を除去し、
    前記第１の絶縁体、前記酸化物層、前記ダミーゲート層および前記第３の絶縁体上に第３の絶縁膜を成膜し、
    第１のＣＭＰ処理を行うことによって、前記ダミーゲート層、前記第３の絶縁体および前記第３の絶縁膜の一部を、前記ダミーゲート層の一部が露出するまで除去し、
    前記ダミーゲート層をエッチングすることによって、前記第２の絶縁体を露出させ、
    前記第２の絶縁体を介して前記酸化物に酸素を注入し、
    導電体膜を成膜し、
    第２のＣＭＰ処理を行うことによって、前記導電体膜の一部を、前記第３の絶縁膜が露出するまで除去して、第１の導電体層および第４の絶縁体を形成し、
    前記第４の絶縁体に開口を形成し、
    前記開口を埋めるように第２の導電体を形成する、
    ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  18. 請求項１７において、
    前記第１の膜は、
    アルゴン、窒素、及び酸素の中から選ばれるいずれか一または複数のガスを用いて、スパッタリング法により形成される、
    ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  19. 請求項１７または請求項１８において、
    前記加熱処理を行うことで、前記酸化物層の前記酸化物層と、前記第１の膜と、が接する領域において、前記領域に含まれる酸素が前記第１の膜に引き抜かれる、
    ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  20. 請求項１７乃至請求項１９のいずれか一項において、
    前記加熱処理の後に、少なくとも前記酸化物、前記第１の絶縁体および前記第３の絶縁体を覆う第２の膜を形成する、ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  21. 請求項１７において、
    前記開口は、前記第４の絶縁体の一部、前記酸化物層の上面、および前記酸化物層の側面の少なくとも一部が露出するように形成される、
    ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  22. 請求項１７において、
    前記第２の絶縁膜の加工は、ドライエッチング法を用いて異方性エッチングを行う、ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
JP2018032987A 2017-05-26 2018-02-27 半導体装置、および半導体装置の作製方法 Withdrawn JP2018201011A (ja)

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